MATIJA TUMA • MIHAEL SEKAV^NIK ENERGETSKI SISTEMIlab.fs.uni-lj.si/kes//gospodarjenje_z_energijo/Skripta-ESistemi.pdf · ε prostorninski dele`, poroznost ... S sevanje, sonce, stena,

UNIVERZA V LJUBLJANIFAKULTETA ZA STROJNI[TVO

MATIJA TUMA • MIHAEL SEKAV^NIK

PRESKRBA Z ELEKTRI^NO ENERGIJO IN TOPLOTOENERGETSKI SISTEMI

Tretja, izpopolnjena in predelana izdaja

LJUBLJANA 2004

Naslov dela: Energetski sistemi,preskrba z elektri~no energijo in toploto

Avtorja: prof. dr. Matija Tumadoc. dr. Mihael Sekav~nik

Recenzent: izr. prof. dr. Janez Oman

Lektor: dr. Joè Gasperi~, znan. svetnik

Oblikovanje ovitka: Veronika Saje

Oblikovanje in prelom: Miro Pe~ar

Zalo`nik: © Fakulteta za strojnitvo, Aker~eva ulica 6, LjubljanaEviden~na tevilka: 188

Tisk: Tiskarna Pleko, d. o. o., Ljubljana

Naklada: 500 izvodov

Ljubljana, 2004

CIP – Katalo`ni zapis o publikacijiNarodna in univerzitetna knji`nica, Ljubljana

xxx.x(xxx.x)

TUMA, MatijaEnergetski sistemi : preskrba z elektri~no energijo in toploto/

Matija Tuma, Mihael Sekav~nik – 3. izdaja – Ljubljana :Fakulteta za strojnitvo, 2004

ISBN 961-6238-xx-x1. Sekav~nik, Mihael11xxxxxxx

PREDGOVOR

Namen u~benika je, da bralcem olaja razumevanje zakonitosti pretvarjanja energijin da jim isto~asno daje osnove za nadaljnji poglobljeni tudij v tej smeri. [eledobro poznanje spreminjanja ene vrste energije v drugo omogo~a strokovnjakom,da pri nekem energetskem procesu presodijo, kje lahko prihranijo energijo inkakne so realne mo`nosti, da ta prihranek dejansko uresni~ijo.

V posameznih poglavjih so obravnavane razli~ne mo`nosti spreminjanja ene vrsteenergije v drugo, pri tem je toplotnim postrojenjem odmerjen najve~ji del u~be-nika. V dananjem ~asu spada namre~ dobro poznanje spreminjanja primarne ener-gije v sekundarno s toplotnim kro`nim procesom, skupaj z vsemi izgubami, ki sepojavljajo pri teh spremembah, k temeljni izobrazbi vsakega strokovnjaka – ener-getika.

Preskrba ~lovetva z energijo e ni zadovoljivo reena. Znanstveniki si zelo pri-zadevajo, da bi ~im prej nali nove vire primarne energije, katerih izkori~anje bibilo tehni~no zanesljivo, gospodarsko upravi~eno in za okolje sprejemljivo. Tudidanes e velja za vsa znanstvena prizadevanja misel Joèfa Stefana (1835–1893),velikega fizika in v mladosti tudi pesnika, ki jo je napisal kot mlad privatni docentDunajske univerze:

»Nekaj bode zmeraj e ostalo,da ne bomo vedeli, zakaj?«

(Joèf Stefan, Naturoznanske poskunje, 1859)

V tretji izdaji u~benika so nekatera poglavja temeljito predelana, ve~ina jih jeposodobljenih, dodani so noveji strokovni viri.

Tudi to izdajo je – kot obe predhodni – skrbno pregledal upokojeni profesor Borisêrnigoj, za kar se mu avtorja lepo zahvaljujeva.

Ljubljana, januar 2004 Matija Tuma in Mihael Sekav~nik

3

VSEBINA

Seznam ozna~b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1 Uvod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2 Energetska postrojenja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.1 Namen in razdelitev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.1.1 Na~in obratovanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.1.2 Letni diagram pridobivanja energije . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2 Razpolo`ljivost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.3 Gospodarnost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3.1 Stroki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.3.2 Lastna cena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.3.3 Tr`na cena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.4 Energetska postrojenja v Sloveniji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3 Klasi~ne termoelektrarne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.1 Zna~ilnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.2 Termodinami~ne osnove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.2.1 Parni kro`ni proces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.2.2 Mo~ in izkoristek. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.2.3 Izboljanje parnega kro`nega procesa . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.3 Glavni sestavni deli. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.3.1 Parni kotli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.3.2 Parne turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.3.3 Kondenzatorji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.3.4 Hladilni sistemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.3.5 ^rpalke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.3.6 Regenerativni grelniki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 883.3.7 Razplinjanje napajalne vode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1063.3.8 Priprava napajalne vode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

3.4 Klasi~na termoelektrarna in okolje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4 Jedrske elektrarne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174.1 Zna~ilnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174.2 Delovanje jedrskih reaktorjev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1184.3 Termi~ni jedrski reaktorji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

4.3.1 Glavni sestavni deli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1244.3.2 Vrste termi~nih reaktorjev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1274.3.3 Novi evropski tla~novodni reaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

4.4 Oplodni jedrski reaktorji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1304.5 Primerjava med jedrsko in klasi~no elektrarno. . . . . . . . . . . . . . . . 131

4.5.1 Parni kro`ni proces pri tla~novodnem in vrelnem reaktorju . . . . . . 1314.5.2 Posebnosti v elektrarnah s tla~novodnim in z vrelnim reaktorjem . . 136

4.6 Jedrska elektrarna in okolje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1414.6.1 Radioaktivni odpadki in odlagali~a . . . . . . . . . . . . . . . . . 1424.6.2 Nezgode in nesre~e v jedrskih elektrarnah . . . . . . . . . . . . . . 1454.6.3 Razgradnja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

4 VSEBINA

5 Plinske elektrarne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1495.1 Zna~ilnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1495.2 Termodinami~ne osnove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

5.2.1 Plinski kro`ni proces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1505.2.2 Mo~ in izkoristek. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1535.2.3 Izboljanje plinskega kro`nega procesa . . . . . . . . . . . . . . . 158

5.3 Glavni sestavni deli. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1665.3.1 Gorilniki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1665.3.2 Plinske turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1675.3.3 Kompresorji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1695.3.4 Regenerativni grelniki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

5.4 Plinsko-parni proces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1715.4.1 Plinski kro`ni proces s prigrajenim parnim kro`nim procesom . . . . 1735.4.2 Parni kro`ni proces s prigrajenim plinskim kro`nim procesom . . . . 178

5.5 Plinska elektrarna in okolje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

6 Soproizvodnja elektri~ne energije in toplote . . . . . . . . . . . . . . 1836.1 Zna~ilnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

6.1.1 Soproizvodnja s parnimi turbinami . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1846.1.2 Soproizvodnja s plinskimi turbinami. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1896.1.3 Soproizvodnja z motorji z notranjim zgorevanjem. . . . . . . . . . . 190

6.2 Termodinami~ne osnove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1916.3 Delitev strokov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1956.4 Industrijske toplarne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2006.5 Izkori~anje odpadne toplote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

7 Vodne elektrarne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2037.1 Zna~ilnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2037.2 Hidrodinami~ne osnove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

7.2.1 Mo~ in izkoristek. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2047.2.2 Pretok vode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

7.3 Vrste vodnih elektrarn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2097.3.1 Preto~ne elektrarne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2107.3.2 Zajezne (akumulacijske) elektrarne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2107.3.3 ^rpalno-zajezne (akumulacijske) elektrarne . . . . . . . . . . . . . 211

7.4 Primerjava med vodno elektrarno in termoelektrarno . . . . . . . . . . . . 2147.5 Vodna elektrarna in okolje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

8 Nekonvencionalni energijski viri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2178.1 Zna~ilnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2178.2 Son~no sevanje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

8.2.1 Sprejemniki son~ne energije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2218.2.2 Son~ne celice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

8.3 Energija biomase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2278.4 Energija vetra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2288.5 Energija morja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

8.5.1 Notranja energija morja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2338.5.2 Energija morskih tokov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2348.5.3 Energija bibavice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

VSEBINA 5

8.5.4 Energija morskih valov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2368.6 Geotermi~na energija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

9 Prenos, shranjevanje in odjem energije . . . . . . . . . . . . . . . . 2399.1 Zna~ilnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2399.2 Prenos energije. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

9.2.1 Prenos elektri~ne energije. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2409.2.2 Prenos toplote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

9.3 Shranjevanje energije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2449.3.1 Shranjevanje elektri~ne energije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2459.3.2 Shranjevanje toplote. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

9.4 Odjem energije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2479.4.1 Odjem elektri~ne energije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2489.4.2 Odjem toplote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

10 Prihodnja preskrba z energijo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25310.1 Zna~ilnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25310.2 Na~rtovanje preskrbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25510.3 Smotrna raba sedanjih energijskih virov . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25910.4 Magnetohidrodinami~ni generatorji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26110.5 Vodik kot gorivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26210.6 Gorivne celice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

10.6.1 Nizkotemperaturne gorivne celice . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26710.6.2 Visokotemperaturne gorivne celice . . . . . . . . . . . . . . . . . 26810.6.3 Gorivne celice v kro`nih porcesih . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

10.7 Novi energijski viri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

Viri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

Stvarno kazalo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 VSEBINA

Seznam ozna~b

Latinske ~rke

^rka Pomen EnotaA anergija JA masno tevilo –A plo~ina, povrina, prerez m2

A razpolo`ljivost –a anuitetni faktor –B irina mC stroki, cena EURC tevilo prebivalcev –c specifi~ni stroki, specifi~na cena EUR/kW, EUR/kW h,

EUR/kg, EUR/m2

cp specifi~na toplota pri p = konst. J/(kg · K)cv specifi~na toplota pri v = konst. J/(kg · K)^D ~isti dobi~ek EUR/aD donos EURD premer mDP dru`beni proizvod EUR/(a · cap.)d efektivna dav~na stopnja –d premer mE eksergija J&E eksergijski tok J/s = W

e specifi~na eksergija J/kgF sila Nf frekvenca s–1

G konduktanca faznega vodnika W–1

g pospeek prostega pada (= 9,80665) m/s2

H viina mHi kurilnost J/kg, J/m3

Hs zgorevalna toplota J/kg, J/m3

h specifi~na entalpija J/kgI jakost elektri~nega toka AISD interna stopnja donosa –i tevilo enot, stopenj, iteracijsko tevilo –K konstanta –k Boltzmannova konstanta J/Kk toplotna prehodnost W/(m2· K)k tevilo nevtronov –L dolìna mM molska masa kg/mol

SEZNAM OZNA^B 7

^rka Pomen Enotam masa kg&m masni tok kg/s

NA nerazpolo`ljivost –NDT neto denarni tok EUR/aNSV neto sedanja vrednost EURn doba trajanja, eksponent, tevilo itd. –n vrtilna frekvenca s–1

P mo~ Wp obrestna mera %p tlak Pa, barQ toplota J&Q toplotni tok J/s = Wq specifi~na toplota J/kg&q specifi~ni toplotni tok W/kg&q gostota toplotnega toka W/m2, W/m3

R elektri~ni ohmski upor WR pripravljenost –r diskontni faktor –r polmer mr specifi~na uparjalna/kondenzacijska

toplota J/kgS entropija J/Ks specifi~na entropija J/(kg · K)T temperatura, absolutna temperatura °C, Kt ~as h, st specifi~na poraba toplote –U inducirana elektri~na napetost VU izkori~enost –U notranja energija Ju obodna hitrost m/su specifi~na notranja energija J/kgV prostornina m3

&V prostorninski tok m3/sv hitrost, splono m/sv specifi~na prostornina m3/kgW delo, energija Jw specifi~no delo, specifi~na energija J/kg

specifi~na energija na leto in prebivalca J/(a · cap.)wS gostota son~nega sevanja J/m2

x razmerje, dele`, izguba –x suhost pare kg/kgy razmerje, dele` –

8 SEZNAM OZNA^B

Grke ~rke

^rka Pomen Enotaα absorptivnost son~nega sevanja –α kot °α toplotna prestopnost W/(m2· K)α volumensko razmerje –ß kot °ß snovna prestopnost kg/(m2· s)Γ elasti~nost dru`benega proizvoda –γ sprejemni faktor –γ grelno tevilo –D razlika –δ debelina mδ kot °ε eksergijsko tevilo –ε prostorninski dele`, poroznost –ε tla~no razmerje –ζ eksergijski izkoristek –ζ koeficient izgub –η dinami~na viskoznost Pa · s, kg/(m · s)η energijski izkoristek –θ temperaturna razlika Kκ razmerje specifi~nih toplot (cp/cv) –κ stisljivost Pa–1

λ koeficient trenja –λ razmernik zraka –λ toplotna prevodnost W/(m·K)λ valovna dolìna mµ masno razmerje –ν kinemati~na viskoznost m2/sξ razmernik koncentracije –π reducirani tlak –π tla~no razmerje –ρ gostota kg/m3

ρ reflektivnost son~nega sevanja –ρ stopnja reaktivnosti –ρ stopnja regeneracije –σ normalna napetost N/m2

σ povrinska napetost N/m, J/m2

σ prihranek toplote –τ prepustnost son~nega sevanja –

GR[KE ^RKE 9

^rka Pomen Enotaτ reducirana temperaturaτ torzijska napetost Pa, barχ entalpijski razmernik –χ toplarniko tevilo –ϕ kot °ϕ preto~no tevilo –ϕ relativna vla`nost kg/kgψ tla~no tevilo –ω kotna hitrost (2pf) rad–1

ω reducirani volumen

10 GR[KE ^RKE

Va`neji indeksi

^rka PomenA absorpcija, amortizacija, razpolo`ljivosta aerodinami~ni, aksialni, razpolo`ljiviC Carnot, cevovod, son~na celica^ ~rpalka, ~rpalna postajaD dimni plinido dovedenidop dopustniE ekspanzija, elasti~nost, elektrarna, elektri~na energijae dejanski, efektivniF fluidf fiksen, stalenG generator, geodetska viinska razlika, gonilnik, gorilnikGo gorivo, gorilnikg te`nostH viinaI investicija, izguba, izolacija, izstop, izvedbai imenski, interni, komponenta, notranji, spodnji, vrsta snoviid idealniJ jezK kineti~na energija, kompresor, kompresija, kondenzat, konvekcija, kotel,

kotlarna, kuri~ek koristnikk kon~ni/koristnikr kriti~niL lebde~a plastLR lastna rabam masam mehanski, povpre~ni, srednjimax maksimalnimin minimalnin nasi~enNA nerazpolo`ljivostNK nizkotla~ni kondenzatNR nizkotla~na hladilno-reducirna postajaNT nizkotla~na turbinaO obresti, okolicao opti~niod odvedeniopt optimalniP mo~

VA@NEJ[I INDEKSI 11

^rka PomenP para, pepel, plin, poraba, premog, prodajap tlakPa parno postrojenjePl plinsko postrojenjePM prenosna mreàPP ponovno pregreta paraps primarni/sekundarniR pripravljenost, regeneracija, regulacija, reetka, rezervoar, sprejemRM razdelilna mreàr radialniS sevanje, sonce, stena, svetlobaSC son~na celicaSG sponke generatorjaSP para ali plin na vstopu v turbinoSt turbinska stopnjask sekundarni/kon~niT temperaturaT toplarna, toplota, transport, turbinaTr trenjet ~ast tangencialni, tehni~ni, termi~ni, tla~ni, toplotnitot totalniU izkori~enost, notranja energijaU upor, utilizatoru notranji, obodni, tangencialniV valj, ventil, voda, vodilnikVG visokotla~ni grelnikVK visokotla~ni kondenzatVR visokotla~na hladilno-reducirna postajaVT visokotla~na turbinaVz vzgonv prostorninski, volumenskiv variabilen, gibljivW delo, energijaZ zrak, zvokZg zgorevanjez zunanjia konvekcija, vstopη viskoznostλ prevod toploteσ povrinska napetost, sevanjew izstop∞ celotni

12 VA@NEJ[I INDEKSI

14

1UVOD

Od zdavnaj se je ~lovek udejstvoval na treh velikih podro~jih tehnike z namenom,da bi si ~im bolj olajal ìvljenje. Ta podro~ja je mogo~e opisati s pojmi "masa","energija" in "informacija", preglednica 1.1.

Preglednica 1.1. Obdelovalna in procesna tehnika, energetika in kibernetika

Masa Energija Informacija

Spremembageometrijske oblikemase

Sprememba fizikalnihin kemi~nih lastnostimase

Sprememba energije vèleno obliko

Sprejem, prenos,shranjevanje inobdelava informacij

Obdelovalna tehnika Procesna tehnika Energetika Kibernetika

Izdelava orodja iz kosti, kamna in lesa pomeni zametek dananje obdelovalnetehnike, izdelava opeke, brona in stekla z uporabo ognja pa zametek dananjeprocesne tehnike. Obdelovalna tehnika se torej ukvarja s spremembami oblikesnovi, procesna tehnika s spremembami strukture snovi, medtem ko se energetikaukvarja s spremembami energije iz ene oblike v drugo – najve~krat s spreminja-njem prvotne, primarne energije v drugo – tako, kakor jo èli imeti porabnik.Energetika je dejavnost, ki oskrbuje gospodarstvo z energijo. Kibernetika pa jeskupno ime za sprejem, prenos, shranjevanje in predelavo tehni~nih informacij.

Za spreminjanje ene oblike energije v drugo so potrebni energetski stroji innaprave. ê imamo opravka z ve~ stroji, kot sta to na primer motor z notranjimzgorevanjem in elektri~ni generator, imenujemo to energetski postroj. ê gre zakopico razli~nih strojev in naprav, ki so med seboj funkcionalno povezani, kot je to

npr. v elektrarni, imenujemo to energetsko postrojenje. Ve~ postrojenj je povezanihv energetski sistem.

V nekem zaprtem in izoliranem procesu je vsota vseh energij konstantna. To jevsebina prvega glavnega zakona termodinamike: energije ni mogo~e uni~iti, mogo-~e pa jo je spremeniti iz ene oblike v drugo. Pri vsaki spremembi imamo opravka zizgubami; del energije se namre~ ne spremeni v èleno obliko, ampak v tisto, ki nidobrodola, npr. v toploto namesto v delo. Izgube nastanejo:

– zaradi same narave pretvorbe ene oblike energije v drugo in– zaradi nepopolnih konstrukcij strojev in naprav.

Prvi glavni zakon termodinamike, ki govori o ohranitvi energije, ne pove ni~esar ouporabnosti posameznih vrst energije; ni va`no, za kakne vrste energije gre prinekem energetskem procesu: za delo, kineti~no, potencialno, elektri~no, notranjo,toploto itd. O kvaliteti energije govori drugi glavni zakon termodinamike, kjer se jeizkazala eksergija kot zelo ustrezna veli~ina za vrednotenje uporabnosti nekeenergije. Glede na prvi glavni zakon termodinamike so namre~ vse vrste energijemed seboj enakovredne. Druga~e pa gleda na razli~ne vrste energije gospodarstvo,zanj je zanimiva le tista vrsta, ki jo je mogo~e spremeniti v "uporabno" obliko,predvsem v mehansko ali elektri~no delo in toploto.

Termodinami~no gledano je za gospodarstvo predvsem pomembna t. i. prehodnaenergija (mehansko ali elektri~no delo, toplota), ne pa t. i. nakopi~ena energija(potencialna, kineti~na). Za nakopi~eno energijo je zna~ilno, da je v dani oblikiobstojna, medtem ko je za prehodno energijo zna~ilna njena kratkotrajnost. Pojav-lja se takrat, ko nakopi~ena energija menja svojo obliko, ko prehaja iz enegasistema v drug sistem.

Merilo za uspenost spremembe ene vrste energije v drugo imenujemo energijskiizkoristek. Definiran je kot razmerje energije (energijskega toka), ki je na razpolagopo kon~anem procesu, in energije (energijskega toka), ki je bila dovedena v proces:

η = = =W

W

W

W

P

Pdo do do

&

&

(1.01)

Eksergijski izkoristek je definiran enako: je razmerje med eksergijo (eksergijskimtokom), ki nam je na razpolago po kon~anem procesu, in eksergijo (eksergijskimtokom), ki je bila dovedena v proces:

ζ = =E

E

E

Edo do

&

&

(1.02)

Pravo merilo za vrednotenje in ocenitev popolnosti nekega energetskega procesa jenjegov eksergijski izkoristek, ki je lahko teoreti~no enak 1 prav za vsak proces.Vzrok, da je vedno manji od 1, je nepopolnost konstrukcij naih strojev in napravter nepopolnost na~ina, kako te stroje in naprave uporabljamo. Energijski izkoristekse od eksergijskega ne razlikuje, ~e imamo opravka z energijami, ki so popolnoma

16 1 UVOD

pretvorljive iz ene oblike v drugo. Druga~e pa je, ~e uporabljamo pojem energij-skega izkoristka pri tistih energijah, ki niso popolnoma pretvorljive, na primer pritoploti ali pri notranji energiji. To je eden od vzrokov, da se za toploto in notranjoenergijo uporabljata simbola Q in U, za vse druge vrste energije pa simbol W.Seveda pa velja za vse vrste energije ista merska enota. Pretvorba energije inizkoristek sta zato za vsakega strokovnjaka, ki se ukvarja z energetskimi problemi,dva nerazdru`ljiva pojma. Ena od njegovih osnovih nalog je, da pazi, da je spre-memba energije v èleno obliko v nekem energetskem procesu, in ire, v nekemenergetskem sistemu, ~im popolneja, da je torej izkoristek energetskega sistema~im ve~ji.

Da dobimo obliko energije, ki je prakti~no uporabna, je navadno potrebnih ve~sprememb. Za pomembneje oblike energije so uveljavljene naslednje definicije.

• Primarna energija je energija primarnih nosilcev energije; ti nosilci so bilidobljeni z izkori~anjem naravnih energetskih virov in niso izpostavljeni enobeni tehni~ni spremembi. Primeri: premog, naravni uran (iz rudnika), drva(iz gozda), surova nafta, zemeljski plin (iz vrtine), energija son~nega sevanja,potencialna energija vode, kineti~na energija vetra. Primarna energija je vednonakopi~ena energija.

• Sekundarna energija je tista, ki je na voljo iz primarne energije na mestuspremembe. Primeri: mehansko delo na osi mlinskega kolesa, elektri~naenergija na pragu termoelektrarne ali vodne elektrarne, toplota (para, vro~avoda) na pragu kotlarne, stisnjen zrak v kompresorski postaji, nadalje koks,trgovski premog, motorna goriva, zemeljski plin, nasekana drva v trgovini.

• Kon~na energija je tista, ki je na voljo porabniku na mestu uporabe e predzadnjo tehni~no pretvorbo; navadno gre za sekundarno energijo, lahko pa tudiza primarno, npr. premog ali zemeljski plin za kurjavo. Primeri: daljinskatoplota (vro~a voda) za radiator, elektri~na energija za elektromotor, elektri~naenergija za àrnico, elektri~na energija za radio, stisnjen zrak pri obdelovalnemstroju. Kon~na energija je navadno prehodna energija.

• Koristna energija je tisti del kon~ne energije, ki koristi porabniku in je ciljnjegove uporabe: za mehansko delo, toploto, svetlobo in zvok. Primeri: toplotaiz radiatorja, mehansko delo motorja, svetloba iz àrnice, zvok iz radia.

Zgled. Gretje vode na gospodinjskem tedilniku

Pri segrevanju vode na plinsko-elektri~nem gospodinjskem tedilniku je trebaoceniti dejanski energijski izkoristek. (O posameznih vrstah izkoristka bo govor vnadaljevanju.)

Gretje vode z elektri~no energijo. Pri spremembi primarne energije (npr. zemeljskiplin) v sekundarno (elektri~na energija na pragu elektrarne) (ηps) je treba upotevatiizgube v kotlu (ηK), izgube zaradi nepopolne pretvorljivosti toplote v druge vrste

1 UVOD 17

energije (ηt), notranje (ηi) in mehanske izgube strojev (ηm), elektri~ne izgubegeneratorja (ηG) in izgube elektri~ne energije zaradi lastne rabe v elektrarni (ηLR):

ηps = ηK · ηt · ηi · ηm · ηG · ηLR = 0,58 · 0,88 · 0,89 · 0,98 · 0,96 · 0,94 = 0,40

Pri prenosu sekundarne energije iz elektrarne do porabnika (ηsk) nastanejo izgube velektri~ni prenosni (ηPM) in razdelilni mreì (ηRM):

ηsk = ηPM · ηRM = 0,96 · 0,95 = 0,91

Pri gretju vode na elektri~nem tedilniku se zopet izkoristi le del kon~ne energije:

ηkk = 0,65

ê torej grejemo vodo na gospodinjskem tedilniku z elektri~no energijo, potem jedejanski energijski izkoristek od primarne do koristne energije:

ηeE = ηps · ηsk · ηkk = 0,40 · 0,91 · 0,65 = 0,24

V koristno energijo se pretvori samo 24 % primarne energije, 76 % energije gorivapa se spremeni v nizkotemperaturno toploto in gre brez koristi v okolico.

Gretje vode z zemeljskim plinom. Za prenos sekundarne energije (zemeljski plin) izplinarne do porabnika je potrebna tla~na energija, ki pa jo je pri tej oceni mogo~ezanemariti (ηps = 1). Prav tako ni upotevana energija za transport zemeljskegaplina od vrtine do plinarne, enako kot ni bila upotevana energije za transportzemeljskega plina do termoelektrarne (ηsk = 1). Primarna energija je torej enakasekundarni, in ta naprej kon~ni energiji. Pri gretju vode na plinskem tedilniku sezopet izkoristi le del kon~ne energije:

ηkk = 0,75

ê grejemo vodo na gospodinjskem tedilniku s plinom, potem je dejanski ener-gijski izkoristek od primarne do koristne energije v tem primeru:

ηeP = ηps · ηsk · ηkk = 1 · 1 · 0,75 = 0,75

V koristno energijo se spremeni 75 % primarne energije, 25 % energije goriva pase spremeni v nizkotemperaturno toploto in gre brez koristi v okolico.

Iz gornje ocene izhaja, da je pri gospodinjskem tedilniku precej gospodarnejegreti vodo s plinom kot pa z elektri~no energijo, saj je – gledano v celoti – prigretju vode z zemeljskim plinom potrebno pribli`no trikrat manj energije kot prigretju z elektriko!

18 1 UVOD

2ENERGETSKA POSTROJENJA

Poglavje obravnavana energetska postrojenja glede na njihovo vlogo v energet-skem sistemu, pojasnjuje pojme, kot so gospodarnost, razpolo`ljivost, izkori~enostin pripravljenost. Zaradi svoje pomembnosti je gospodarnosti energetske nalo`beposve~ena posebna pozornost: razloèni so osnovni pojmi, prikazana strukturastrokov in raz~lenjena upravi~enost nalo`be. Na koncu poglavja so zbrana po-membneja energetska postrojenja v Sloveniji.

2.1 Namen in razdelitev

2.1.1 Na~in obratovanja

Namen energetskih postrojenj je s ~im manjimi stroki in s ~im ve~jim izkorist-kom primarno energijo spremeniti v obliko, ki je potrebna v vsakdanjem ìvljenju:v mehansko delo, toploto, svetlobo in zvok. Energetska postrojenja so za sodobnoìvljenje pomembna, kajti zadostna preskrba z energijo je eden od pogojev zadosego visoke ìvljenjske ravni. Najpopolneja oblika energije je elektri~na, saj joje mogo~e z odli~nim izkoristkom spremeniti v vse druge oblike. Zato bodo vnadaljevanju obravnavana predvsem energetska postrojenja, ki spreminjajo pri-marno energijo v elektri~no. Najva`neja so: parne elektrarne na fosilna in jedrskagoriva, plinske in plinsko-parne elektrarne ter vodne in vetrne elektrarne. V svetov-nem merilu se ve~ kot tri ~etrtine elektri~ne energije pridobiva v termoelektrarnah,najve~ v fosilnih in jedrskih elektrarnah, precej v plinskih, nekaj tudi z motorji znotranjim zgorevanjem. Manj kot ~etrtino energije dajejo vodne elektrarne, nekajmalega tudi drugi obnovljivi energijski viri.

Energetska postrojenja se razlikujejo predvsem po viru primarne energije, zanjihovo vlogo v energetskem sistemu pa je zna~ilno tevilo obratovalnih ur na leto.Glede na to tevilo so postrojenja razdeljena na tri skupine, slika 2.5.Postrojenja, ki obratujejo neprekinjeno ve~ji del leta (osnovno obratovanje, obra-tovanje v pasu), t > 6000 h/aZna~ilnosti: velika zanesljivost pri obratovanju in velik energijski izkoristek, pritermoelektrarnah nizki obratovalni (ceneno gorivo) in visoki investicijski stroki.Lastni stroki priprave take elektri~ne energije so nizki. Primeri: preto~ne vodneelektrarne, jedrske in ve~je fosilne elektrarne.Postrojenja, ki obratujejo ob delavnikih (dnevno obratovanje, obratovanje v tra-pezu), t = 1500–6000 h/aZna~ilnosti: enostaven zagon, pri termoelektrarnah srednje vrednosti za energijskiizkoristek, prav tako za investicijske in obratovalne stroke. Primeri: akumulacijskevodne elektrarne, parne in plinsko-parne elektrarne.Postrojenja, ki obratujejo samo pri velikem povpraevanju po energiji (vrno obra-tovanje, obratovanje v konici), t < 1500 h/aZna~ilnosti: enostaven in hiter zagon, pri termoelektrarnah manji energijski izko-ristek, nizki investicijski in visoki obratovalni stroki. Lastni stroki priprave takeelektri~ne energije so lahko visoki, prav tako je tr`na cena take elektri~ne energijevisoka. Primeri: ~rpalno-akumulacijske vodne elektrarne, Dieselovi motorji, plin-ske elektrarne, enostavne parne elektrarne.Energetska postrojenja v splonem ne obratuje vse leto, in kadar obratujejo, nevedno z imensko mo~jo. Vzroki so razli~ni. Toplotna postrojenja lahko sicerobratujejo z imensko mo~jo vse leto, vendar je povpraevanje po elektri~ni energijiali toploti od dneva do dneva razli~no, in zato se elektri~na ali toplotna mo~postrojenja prilagaja trenutni potrebi. Potrebe po energiji so pozimi ve~je kotpoleti, v delavnikih ve~je kot ob nedeljah itd., o ~emer bo podrobneje govor vpoglavju o odjemu energije. Vodne in vetrne elektrarne tudi teoreti~no ne morejoobratovati z imensko mo~jo vse leto, saj se pretok vode in jakost vetra spreminjatav odvisnosti od ~asa.

2.1.2 Letni diagram pridobivanja energije

Obratovanje nekega postrojenja je navadno prikazano v urejenem letnem diagramupridobivanja energije: na ordinati je naneena mo~ (npr. na pragu elektrarne) aliveli~ina, ki je bistvena za izra~un mo~i, na abscisi ~as enega leta 8'760 ur. Plo~inadiagrama pod krivuljo je torej neposredno ali posredno sorazmerna z letno proiz-vedeno energijo. Taka slika nastane, ~e je v ~asovnem razmiku (npr. enkrat na dan)na diagram naneena izbrana karakteristi~na veli~ina in urejena po velikosti.Slika 2.1 prikazuje urejeni diagram pridobivanja elektri~ne energije v termo-elektrarni. Na ordinatno os je naneena dejanska elektri~na mo~ Pe, na abscisno os~as enega leta. Glede na potek diagrama obratuje termoelektrarna nekaj ~asa spolno mo~jo, ve~ino ~asa z delno, nekaj ~asa v letu pa sploh ne obratuje.

20 NAMEN IN RAZDELITEV

Prav podoben diagram velja tudi za toploto, v tem primeru je na ordinatno osnaneen toplotni tok &Q, slika 2.2. Pri vodni elektrarni je namesto mo~i naneen tokvode &V, ki je v ena~bi za mo~ vodne turbine najvplivneja spremenljivka, slika 2.3.Pri vetrni elektrarni pa je namesto mo~i naneena hitrost vetra pred vetrnico v0, kije najva`neja spremenljivka v ena~bi za mo~ vetrnice, slika 2.4.

2 ENERGETSKA POSTROJENJA 21

Slika 2.1. Urejeni letni diagram pridobivanjaelektri~ne energije v termoelektrarni;

Pe = ηe · &m · DhA – imenska mo~, B – najmanja mo~, C – ter-moelektrarna ne obratuje

Slika 2.2. Urejeni letni diagram pridobivanjatoplote v kotlarni;

&Qe = ηe · &m · Dh

A – ogrevanje in sanitarna voda, B – sanitarnavoda preko poletja, C – kotlarna ne obratuje

Slika 2.3. Urejeni letni diagram toka vode zapridobivanje elektri~ne energije v hidroelek-trarni;

Pe = ηe · ρ · &V · g · DH

Slika 2.4. Urejeni letni diagram hitrosti vetra zapridobivanje elektri~ne energije v vetrni elek-trarni;

Pe = ηe · A · ν 03 / 2

Pomembneji kot urejeni letni diagram za eno energetsko postrojenje je urejeniletni diagram pridobivanja elektri~ne energije za skupek elektrarn v neki pokrajini,za neki energetski sistem, slika 2.5. Plo~ina pod diagramom se navadno iz leta vleto rahlo pove~uje, z drugimi besedami: pokrajina potrebuje iz leta v leto ve~ ener-gije. Iz takega diagrama je med drugim mogo~e napovedati potrebe po elektri~nienergiji, izbor energetskega postrojenja itd.

2.2 Razpolo`ljivost

Postavitev energetskega postrojenja je navadno povezana z velikimi stroki, zato jetreba postrojenje tudi izkori~ati. Obratovati mora ~im ve~ ur na leto in po mo`no-sti z vso mo~jo, skratka, njegova razpolo`ljivost mora biti ~im vija. Nizkarazpolo`ljivost povzro~a najve~je gospodarske izgube, ki sploh lahko nastanejo;gospodarske posledice teh izgub precej presegajo izgube, ki nastanejo npr. zaradiposlabanja izkoristka postrojenja.

Proizvajalec navadno jam~i samo za energijski izkoristek postrojenja, le v redkihprimerih tudi za njegovo razpolo`ljivost. Za visoko razpolo`ljivost jam~i samoproizvajal~evo dobro ime, njegove referen~ne liste, njegova servisna slu`ba itd.Razpolo`ljivost pa ni odvisna samo od proizvajal~eve opreme, ampak tudi odtehni~ne sposobnosti osebja, ki upravlja postrojenje. Podrobneje so ti pojmirazvidni iz preglednice 2.1. in s slik 2.6 in 2.7, od koder je mogo~e dobiti e drugemedsebojne zveze, kot so izkori~enost obratovanja postrojenja, pripravljenost innepripravljenost postrojenja za obratovanje itd.

22 RAZPOLO@LJIVOST

Slika 2.5. Urejeni letni diagram pridobivanja elektri~ne energije v pokrajini,A – obratovanje v pasu, B – obratovanje v trapezu, C – obratovanje v konici

Preglednica 2.1. Povezava med razpolo`ljivostjo, izkori~enostjo inpripravljenostjo

Oznaka âs (t) Mo~ (P) Delo, energija (W)

Skupaj

(i = 1)

Imenski ~as(koledarsko leto)ti = 8760 h

Imenska mo~

Pi

Imenska energija

Wi = Pi ⋅ ti

Izkori~enost (obrato-vanje) postrojenja(U)

Izkori~eni ~as

tU

Izkori~ena mo~

PU

Izkori~ena (=proiz-vedena) energija

WU = PU ⋅ tU

Pripravljenostpostrojenja(R)

Rezervni ~as

tR

Rezervna mo~

PR

Rezervna energija

WR = PR ⋅ tU + PA ⋅ tR

Razpolo`ljivostpostrojenja(A = U + R)

Razpolo`ljivi ~as

tA = tU + tR

Razpolo`ljiva mo~

PA = PU + PR

Razpolo`ljiva energija

WA = WU + WR

Nerazpolo`ljivostpostrojenja(NA = 1 – A)

âs, ki ni na razpolago

tNA = ti – tA

Mo~, ki ni na razpolago

PNA = Pi – PA

Energija, ki ni narazpolagoWNA = Wi – WA

Razpolo`ljivost postrojenja (Availability) A je definirana kot vsota izkori~enosti(Utilization) U in pripravljenosti (Readiness) R.

âsovna razpolo`ljivost:

At t

ttU R=

+

i

(2.01)

Razpolo`ljivost mo~i:

AP P

PPU R=

+

i

(2.02)

Razpolo`ljivost energije (dela):

AP P

P

t t

t

P t

P t

P t

P t

(P P ) tW

U R U R U U R U U R=+

⋅+

=⋅⋅

+⋅⋅

++ ⋅

i i i i i i

R

P ti i⋅(2.03)

Razpolo`ljivost energije je razmerje, kjer je v tevcu vsota dejansko proizvedeneenergije, topla ter hladna rezerva, v imenovalcu pa najve~ja mogo~a proizvedenaenergija. Topla rezerva je energija, ki je takoj na razpolago, pa zanjo ni potrebe(vrte~a se rezerva, postrojenje obratuje z zmanjano zmogljivostjo). Hladna rezer-va je energija, ki jo je po potrebi mogo~e proizvesti (mirujo~a rezerva, postrojenjeje pripravljeno, vendar ne obratuje). Podobna razmerja je mogo~e napisati tudi zaizkori~enost in pripravljenost ~asa, mo~i in energije. Izkori~enost energije je naprimer glavna ocena uspenosti obratovanje neke elektrarne. Za izkori~enostenergije se uporablja tudi izraz obratovalni faktor (load factor).


24 RAZPOLO@LJIVOST

Slika 2.6. Obratovanje energetskega postrojenja: neurejeni, dejanski potek mo~i;A – topla rezerva, B – hladna rezerva

Slika 2.7. Obratovanje energetskega postrojenja: urejeni diagram povpre~ne mo~i;A – topla rezerva ( P tR U⋅∫ d ), B – hladna rezerva ( P tA R⋅∫ d )

Zgled. Obratovanje termoelektrarne

Termoelektrarna je obratovala v letu dni skupaj tU = 7700 h, od tega 7000 ur zimensko mo~jo 300 MW, 600 ur z mo~jo 250 MW (zaradi zmanjanega povpra-evanja po elektri~ni energiji) in 100 ur z mo~jo 200 MW (zaradi manje okvare nakotlu). Termoelektrarna ni mogla obratovati 700 ur zaradi rednega letnega teh-ni~nega pregleda in nadaljnjih 200 ur zaradi okvare generatorja, skupaj tNA = 900 h.Ostanek ~asa tR je termoelektrarna stala tehni~no pripravljena v (hladni) rezervi,slika 2.8.

âs v (hladni) rezervi:

tR = 8760 – 7700 – 900 = 160 h

âsovna izkori~enost:

Ut =7700

8760= 0,879

âsovna pripravljenost:

Rt =160

8760= 0,018

âsovna razpolo`ljivost:

At =7700 160

8760

+= 0,897


Slika 2.8. Obratovanje termoelektrarne: urejeni diagram mo~i

Izkori~enost energije (= obratovalni faktor):

Uw =300000 7700 250000 600 200000 100

300000 8760

⋅ + ⋅ + ⋅⋅

= 0,864

Pripravljenost energije:

UR =( )300000 250000 600

300000 8760

− ⋅⋅

= 0,011

Razpolo`ljivost energije:

AW =300000 7000 600 200000 100

300000 8760

⋅ + + ⋅⋅

( )= 0,875

Primer velja za eno termoelektrarno, e va`neja pa je uporaba teh pojmov priobratovanju ve~ postrojenj skupaj.

2.3 Gospodarnost

Energetska postrojenja so draga, na~rtovanje in gradnja trajata ve~ let, v obrato-vanju so ve~ desetletij. Zato je jasno, da je gospodarnost obratovanja takihpostrojenj pomembna. Navadno je predmet obirnih tehni~nih in ekonomskihraziskav, tu bodo nekatere od teh nakazane. Izvedba neke nalo`be in njenoobratovanje nista odvisni le od njene tehni~ne zahtevnosti, pa~ pa tudi od njenegospodarnosti, ki bo v nadaljevanju podrobneje opisana.

2.3.1 Stroki

Slika 2.9 prikazuje zna~ilne finan~ne tokove v podjetju, ki omogo~ajo trajno poslo-vanje. Podjetje mora v za~etku dobiti lastniki in dol`niki kapital iz zunanjihvirov, kar omogo~a investiranje v zemlji~a, zgradbe, opremo in skupaj z obratnimkapitalom zagotavlja pokrivanje obveznosti iz poslovanja. Prihodki od poslovanjaso realizirani s prodajo izdelkov na trgu in pokrivajo stroke poslovanja. Ustvarjeneprihodke zmanjujejo stroki, ki jih lahko v tem poenostavljenem prikazu razvrsti-mo v dve skupini odhodkov.

• Poslovni odhodkiPri energetskih postrojenjih so to v prete`ni meri stroki goriva in dela, davkiter drugi stroki (vzdrèvanje postrojenj, potroni material itd.).

• Drugi odhodkiPri energetskih postrojenjih so to finan~ni odhodki, ki so povezani z investi-ranjem, prete`ni del teh sestavljajo amortizacija in obresti ter davek oddobi~ka.

Podjetje ustvarja dobi~ek, kadar na trgu ustvarjeni prihodki zado~ajo za pokri-vanje vseh odhodkov in kadar ostane del finan~nega toka "prostega". V nasprotnem

26 GOSPODARNOST


Slika 2.9. Glavni finan~ni tokovi v obdobju enega leta

primeru, ko prihodki iz poslovanja ne zadostujejo za pokrivanje odhodkov, govo-rimo o izgubi.

Kadar podjetje ustvari dobi~ek, del le-tega pripada dràvi. Govorimo o dobi~kupred obdav~itvijo, o ~istem dobi~ku ali pa o izgubi, ki so temeljne vrste poslovnegaizida. O porazdelitvi ~istega dobi~ka odlo~a v primeru delnike dru`be skup~inadelni~arjev na predlog uprave in nadzornega sveta in se lahko v dolo~enem obsegunameni za izpla~ilo dividend, del pa ostane nerazporejen (zadràni dobi~ek) intvori skupaj z amortizacijo, zadrànimi dav~nimi obveznostmi nov investicijski inobratni kapital. ê ta ne zadostuje za uresni~evanje razvoja podjetja, je nujnokapital pove~ati z zadolèvanjem in dokapitalizacijo podjetja.

Pri odlo~anju, optimiranju izvedbe in obratovanja energetskega postrojenja je po-membno ugotoviti strukturo posameznih strokov v ceni proizvoda. Poenostavljenovelja naslednja delitev:

• Stalni ali fiksni stroki Cf, so tisti, ki so v prete`ni meri neodvisni odobratovanja postrojenja.

• Gibljivi ali variabilni stroki Cv pa so tisti, ki v prete`ni meri nastanejo kotposledica obratovanja postrojenja.

Vsota stalnih in gibljivih strokov so skupni stroki:

C C C= +f v (2.04)

Pri proizvodnji elektri~ne energije so prete`ni del gibljivih strokov stroki goriva,zato lahko privzamemo premo sorazmerno odvisnost gibljivih strokov od proiz-vodnje elektri~ne energije. Pribli`ni potek strokov proizvodnje v odvisnosti odtevila obratovalnih ur prikazuje slika 2.10, poenostavljeno razvrstitev strokovproizvodnje elektri~ne energije pa preglednica 2.2.

28 GOSPODARNOST

Slika 2.10. Stroki pri proizvodnji elektri~ne energije v odvisnosti od letnegatevila obratovalnih ur

2.3.2 Lastna cena

Bolj kot absolutni stroki so zanimivi stroki na enoto proizvoda. ê so skupnistroki normirani na letno proizvedeno elektri~no energijo, dobimo specifi~ne skup-ne stroke ali lastno ceno proizvedene elektri~ne energije:

cC C

P t=

+⋅

f v (2.05)

Iz ena~be izhaja, da specifi~ni stroki proizvodnje elektri~ne energije nara~ajo zzmanjevanjem tevila obratovalnih ur, kar je razvidno tudi s slike 2.11. Povedanodruga~e: postrojenje proizvaja drago elektri~no energijo, ~e je njegova ~asovnaizkori~enost majhna, in nasprotno. V primeru nizke ~asovne izkori~enosti postro-jenja pomenijo specifi~ni stalni stroki prete`ni dele` specifi~nih skupnih strokov.Z nara~anjem tevila letnih obratovalnih ur se dele` specifi~nih stalnih strokovzmanjuje.


Slika 2.11. Specifi~ni stroki pri proizvodnji elektri~ne energije v odvisnosti odletnega tevila obratovalnih ur

Preglednica 2.2. Najpomembneji stroki pri proizvodnji elektri~ne energije

Vrsta strokov Specifikacija strokov

Stalni stroki

Stroki kapitala (obresti)Amortizacija

Odhodki, povezani zinvestiranjem

Stroki dela (pla~e)Stroki nadzora (finan~nega, tehni~nega)Davki in drugi stroki

Poslovni odhodki

Gibljivi stroki

Stroki gorivaVzdrèvanje postrojenja (redna in izrednapopravila)Potroni material

Dejansko ali prodajno ceno elektri~ne energije oblikuje trg (izjemoma vlada),neodvisno od izkori~enosti postrojenja.

Vzemimo, da elektri~no energijo proizvajamo v razli~nih termoelektrarnah, npr. splinskim, parnim ali plinsko-parnim kro`nim procesom. Postavlja se vpraanje,katero od postrojenj proizvaja elektri~no energijo z ni`jimi specifi~nimi skupnimistroki. Odgovor poi~emo z analizo specifi~nih strokov, ki nastanejo pri proiz-vodnji elektri~ne energije za razli~na postrojenja. V strukturi specifi~nih strokovproizvodnje elektri~ne energije imajo najve~ji dele` naslednje tri vrste strokov:

• Stroki kapitala so stalni stroki. V prete`ni meri so to obveznosti zaradi obrestiiz najetih kreditov (dol`niki kapital) in trajajo ves ~as amortizacije (odpla-~evanja) kreditov.

• Amortizacija sredstev je stalni stroek. Nastane zaradi prenaanja nabavnevrednosti sredstva na poslovne u~inke. Gre za postopno knjigovodsko raz-vrednotenje osnovnih sredstev s ~asovnimi odpisi skozi skupno dobo trajanjainvesticije.

• Stroki goriva so pri termoelektrarnah najpomembneji gibljivi stroki. Odvisniso od nabavne cene goriva in izkoristka postrojenja. Pri vodnih elektrarnah tehstrokov nimamo.

Specifi~ni stalni stroki, tj. stroki kapitala in amortizacija, so razli~ni za razli~nevrste elektrarn in se z ve~anjem imenske mo~i postrojenja zniùjejo. Imenska mo~pa ni edina neodvisna spremenljivka, sem spada e mnogo drugih dejavnikov, kilahko bistveno vplivajo na spremembo specifi~nih investicijskih strokov, npr.izbira goriva, pomanjkanje prostora, nosilnost tal, zakonodajni, okoljevarstveni indrugi predpisi, na~in odvoda toplote iz postrojenja itd.

Na sliki 2.12 so prikazane okvirne vrednosti specifi~nih investicijskih strokov zarazli~na elektrarnika postrojenja v odvisnosti od imenske mo~i. Kot è omenjenose pri elektrarnikih postrojenjih izkaè, da so specifi~ni stalni stroki odvisnipredvsem od letnega tevila obratovalnih ur (od ~asovne izkori~enosti), specifi~nigibljivi stroki pa od strokov goriva.

Dejanska lastna cena (vsota vseh specifi~nih stalnih in gibljivih strokov) elek-tri~ne energije, proizvedene v dolo~eni elektrarni, se lahko ugotavlja le za nazaj napodlagi knjigovodsko izkazanih strokov. Zato se lastna cena elektri~ne energije vsplonem spreminja skozi skupno dobo amortizacije investicije.

Pri projektiranju novih postrojenj pa je pomembna vnaprejnja ocena specifi~nelastne cene elektri~ne energije. V ta namen se uporablja izra~un sedanje vrednostilastne cene elektri~ne energije, ki se nanaa na za~etek amortizacije investicije. Vtem izra~unu sta specifi~na stroka kapitala in amortizacije zdruèna v obliki speci-fi~nih stalnih investicijskih strokov kot anuiteta skupnega investiranega kapitala(investicije), ki se bo amortiziral (stroki investicije, graditve itd.).

Lastna cena elektri~ne energije je definirana po ena~bi (2.05) kot vsota specifi~nihstalnih in gibljivih strokov, ki so pa v nadaljevanju podrobneje specificirani:

30 GOSPODARNOST

cC a

P t

C

P t

cc=

⋅⋅

+⋅

+ +fI f0 vGov0η

= cA0 + cf0 + cGo + cv0 (2.06)

• Prvi ~len ena~be so specifi~ni stalni investicijski stroki (stroki anuitete).

CfI skupna vrednost investicije, ki se bo amortiziralaP na~rtovana letna elektri~na mo~t na~rtovani letni obratovalni ~asa anuitetni faktor

ar

r

r r

r

p p

pn

n

n

n

n=

−−

=⋅ −

=⋅ ++ −−

1

1

1

1

1

1 1

( ) ( )

( )(2.07)

n doba trajanja investicijer = 1 + p diskontni faktorp obrestna mera diskontnega faktorja

• Drugi ~len ena~be so specifi~ni stalni obratovalni stroki, to so stalni strokivzdrèvanja, zavarovanja in drugih pristojbin.

• Tretji ~len ena~be so specifi~ni stroki goriva; spadajo h gibljivim strokom.

cvGo nabavna cena gorivaη povpre~ni letni izkoristek postrojenja


Slika 2.12. Specifi~ni investicijski stroki za razli~na elektrarnika postrojenja vodvisnosti od mo~i;A – motorji z notranjim zgorevanjem Otto, B – manji motorji Diesel in manjiplinski postroji, C – plinske elektrarne, ^ – motorji z notranjim zgorevanjemDiesel, D – plinsko-parne elektrarne, E – klasi~ne termoelektrarne, F – jedrskeelektrarne

• êtrti ~len ena~be so specifi~ni gibljivi obratovalni stroki, to so stroki, ki sodejansko odvisni od obratovanja postrojenja.

Primerjajmo med seboj dve tehni~no popolnoma razli~ni postrojenji, slika 2.13.

– Postrojenje A je zaradi svoje dovrenosti drago, obratuje pa z visokim izkorist-kom; specifi~ni stalni stroki so visoki, specifi~ni obratovalni stroki pa zaradidobrega izkoristka postrojenja nizki.

– Postrojenje B je tehni~no enostavneje in ceneje v primerjavi s postrojenjem A,specifi~ni stalni stroki so nizki, specifi~ni obratovalni pa zaradi slabegaizkoristka visoki.

Podrobneja analiza skupnih specifi~nih strokov za postrojenji A in B pokaè, daje gospodarnost enega ali drugega postrojenja odvisna od letnega tevila obrato-valnih ur. Pri obratovanju v pasu in trapezu (t = 1500–6000 h/a) izkazujepostrojenje A ni`je specifi~ne skupne stroke, torej ni`jo lastno ceno kot papostrojenje B. Tehni~no dovreno postrojenje A je torej pri velikem tevilu letnihobratovalnih ur gospodarneje od enostavnega postrojenja. Nasprotno pa jepostrojenje B primerneje za obratovanje v konici (t < 1500 h/a).

Za izboljanje gospodarnosti obratovanja torej ni smotrno uporabiti enakih ukrepovza razli~na energetska postrojenja. Pri postrojenjih z visoko izkori~enostjo jesmotrno znièvati specifi~ne gibljive stroke, torej stroke goriva, saj so le-tiprete`ni dele` lastne cene. Sem spadajo npr. zagotavljanje cenejega goriva innapori za izboljanje izkoristka postrojenja. Nasprotno pa so pri postrojenjih znizko letno izkori~enostjo odlo~ilnega pomena stroki investicije in z njo povezanistroki kapitala. Pri takih postrojenjih napori za izboljanje izkoristka niso smotrni,saj ne vplivajo bistveno na zniànje lastne cene.

32 GOSPODARNOST

Slika 2.13. Specifi~ni skupni stroki proizvodnje elektri~ne energije v odvisno-sti od letnega tevila obratovalnih ur;A – tehni~no dovreno postrojenje, B – tehni~no enostavno postrojenje

Zgled. Specifi~ni stroki proizvodnje elektri~ne energije

Izra~unajmo specifi~ne skupne stroke proizvodnje elektri~ne energije za obdobjeenega leta, in sicer za na~rtovani plinski postroj in za plinsko-parno postrojenjeenakih imenskih elektri~nih mo~i Pe = 200 MW. V obravnavanem obdobju nasto-pajo samo stalni stroki, povezani z investiranjem (stroki anuitete) in strokigoriva. Drugi stroki so za red velikosti ni`ji in jih zaradi poenostavitve ne upote-vamo.

Vrednosti za prera~un plinskega postroja so z diagrama na sliki 2.12 in preglednice2.3:

CI = cI · P = 350 · 200 · 103 = 70'000'000 EUR

Anuitetni faktor:

ap p

p

n

n=

⋅ ++ −

=⋅ +

+ −( )

( )

, ( , )

( , )

1

1 1

0 06 1 0 06

1 0 06 1

20

20= 0,08718

Stalni stroki, povezani z investiranjem (stroki anuitete), zdruùjejo letne strokeamortizacije in obresti za najeta posojila in so ra~unsko enaki v skupni dobi amor-tizacije investicije:

CA0 = CI · a = 70'000'000 · 0,08718 = 6'102'919 EUR/a

Specifi~ne investicijske stroke cA dobimo, ~e izra~unano vrednost delimo z elek-tri~no energijo, pridobljeno v enem letu. Ta je na~eloma odvisna od letnega tevilaobratovalnih ur, zato lahko specifi~ne stalne stroke zapiemo kot funkcijo ~asa:

cA0 =C a

P t t tI ⋅⋅

=⋅

⋅ =6 102 919

200 10

1 30 5153

' ' ,EUR/kW h


Preglednica 2.3. Podatki za izra~un specifi~nih skupnih strokov proizvodnjeelektri~ne energije v plinskem in v plinsko-parnem postrojenju

PodatkiOznaka, merska

enotaPlinski postroj

B

Plinsko-parnopostrojenje

A

Specifi~ni investicijski strokicI

EUR/kW350 500

Obrestna mera najetih posojilp%

6,0 6,0

Doba trajanja investicijena

20 20

Nabavna cena gorivacvGo

EUR/GJ3,30 3,30

Povpre~ni letni izkoristekpostrojenja

η%

33 52

Specifi~ni stroki goriva so enaki kvocientu nabavne cene goriva in povpre~negaletnega izkoristka postrojenja in so ves ~as obratovanja investicije enaki:

cGo =cvGo

η= ⋅

3 3

0 33

3600

10 6

,

,

'= 0,036 EUR/kW h

Specifi~ni skupni stroki so vsota vseh specifi~nih strokov in so funkcija tevilaletnih obratovalnih ur:

c t c c t c( ) ( )= = +∑i

A0 Go

Tudi vrednosti za prera~un plinsko-parnega postrojenja so z diagrama na sliki 2.12in iz preglednice 2.3. Rezultate prera~unov prikazujeta slika 2.14 in preglednica2.4.

Iz primerjave specifi~nih skupnih strokov za obe postrojenji po sliki 2.15 je leporazviden mejni ~as izkori~enosti 1000 h/a, ki z vidika gospodarnosti razmejuje obepostrojenji: pri ~asovni izkori~enosti do 1000 h/a je gospodarneje obratovati zenostavnim plinskim postrojem, pri izkori~enosti nad tem ~asom pa kaè inve-stirati v dra`ji plinsko-parni proces.

Lastna cena elektri~ne energije je torej bistveno odvisna od:

– vrste postrojenja– strokov goriva in– tevila ur obratovanja.

ê bi bila poraba elektri~ne energije konstantna, bi jo najceneje proizvajali izelektrarn, ki obratujejo v pasu. Dejansko pa se poraba elektri~ne energije medletom zelo spreminja, zato je koni~no elektri~no energijo bolj smotrno proizvajati vcenejih postrojenjih, ~eprav z vijo lastno ceno. Dejanska cena elektri~ne energijev konici je zaradi ve~jega povpraevanja vija in mora v na~elu pokriti tudi vijolastno ceno.

34 GOSPODARNOST

Preglednica 2.4. Primerjava strokov za plinsko in plinsko-parno postrojenjeenakih mo~i

Specifikacija strokov Merska enotaPlinski postroj

B

Plinsko-parnopostrojenje

A

Stroki investicijeCI

EUR70'000'000 100'000'000

Stalni stroki, povezani zinvestiranjem (stroki anuitete)

CAO

EUR/a6'102'919 8'718'456

Specifi~ni stalni stroki, povezaniz investiranjem

cI

EUR/kW h30,515 / t 43,592 / t

Specifi~ni stroki gorivacGo

EUR/kW h0,0360 0,0228


Slika 2.14. Specifi~ni skupni stroki za plinsko-parno (A) in za plinsko (B) po-strojenje

Slika 2.15. Primerjava specifi~nih skupnih strokov za plinsko-parno (A) inplinsko (B) postrojenje

2.3.3. Tr`na cena

Zanima nas, ali je neka nalo`ba gospodarsko upravi~ena ali ne. Pri presoji je trebaoceniti osnovne zna~ilnosti denarnega toka v vsej dobi trajanja investicije. Denarnitok se nanaa tako na investicijske stroke (navadno v za~etku), kakor tudi nadenarne donose in odlive od nalo`be v dobi trajanja investicije. Za vrednotenjestrokov investicije se uporablja izraz neto denarni tok v obdobju enega leta NDT;definicija:

Neto denarni tok = ~isti dobi~ek + stroki amortizacijeNDT = ^D + CA (2.08)

âsovna odvisnost neto denarnega toka NDT, na sliki 2.9 je ozna~ena rafirano, jezajeta z diskontnim faktorjem r = 1 + p, ki je naveden pri ena~bi (2.07).

Sedanji u~inek neto denarnega toka v dobi trajanja investicije dobimo tako, da zaneto denarne tokove, ki prihajajo v razli~nih ~asih, izra~unamo njihovo ekviva-lentno (diskontirano) sedanjo vrednost, preden jih setejemo (ali odtejemo, ~e sonegativni). Od dobljene vrednosti odtejemo stroke investicije, slika 2.16. Za to seuporablja izraz neto sedanja vrednost investicije NSV; definicija:

NSVNDT

rCi

ii

t

= −=∑

0I (2.09)

kjer je NDTi neto denarni tok, tI ~as trajanja investicije in CI stroki investicije, kinastopijo v za~etku (investicijski vloèk).

Investicija je gospodarsko upravi~ena, ~e je pri danih strokih kapitala (obrestnimeri) njena neto sedanja vrednost pozitivna: NSV > 0. Metoda ima e boljouporabnost, kadar je treba presoditi najboljo gospodarnost med ve~ alternativnimiinvesticijskimi projekti. Najbolja nalo`ba je tista, ki ima pri verodostojnoocenjenih neto denarnih tokovih in enaki ceni kapitala ve~jo neto sedanjo vrednostNSV.

Slika 2.16. Ra~unanje neto sedanje vrednosti investicije

Zgled. Neto sedanja vrednost

Nekatere zna~ilnosti uporabe metode si oglejmo na naslednjem zgledu. Zaplinsko-parno postrojenje iz prejnjega zgleda izra~unajmo neto sedanjo vrednost

36 GOSPODARNOST

investicije NSV. Zaradi enostavnosti in nazornosti vzemimo, da nastopajo v denar-nem toku poleg donosov od prodaje elektri~ne energije le e stroki za nabavogoriva in davek od dobi~ka. Drugi podatki so razvidni iz preglednice 2.5.

Letni donos od prodane elektri~ne energije:

D = P · t · cP = 200 · 103 · 7'000 · 0,03 = 42'000'000 EUR/a

Letni stroki goriva:

CGo =P t

c⋅

=⋅ ⋅

⋅ ⋅η vGo

200 10 7 000

0 523 30

3600

10

3

6

'

,,

'= 31'984'615 EUR/a

Za oceno neto denarnega toka je treba glede na ena~bo (2.08) ugotoviti ~isti dobi-~ek. Donos od prodane elektri~ne energije je treba zmanjati za stroke goriva instroke amortizacije ter pla~ati davek:

^D = (1 – d) · (D – CGo – CA) (2.10)

^D = (1 – 0,178) · (42'000'000 – 31'984'615 – 5'000'000) = 4'122'646 EUR/a

Neto denarni tok je v dobi trajanja investicije nespremenjen, saj smo predpostavili,da se izkori~enost postrojenja kakor tudi drugi podatki, ki dolo~ajo ~isti dobi~ek,ne spreminjajo:

NDT = ^D + CA = 4'122'646 + 5'000'000 = 9'122'646 EUR/a


Preglednica 2.5. Podatki za izra~un neto sedanje vrednosti investicije NSV zaplinsko-parno postrojenje

Podatki OznakaPlinsko-parno

postrojenje

Imenska mo~ postrojenjaP

MW200

Stroki investicijeCI

EUR100'000'000

Stroki amortizacije (linearnastopnja)

CAEUR/a

5'000'000

Nabavna cena gorivacvGo

EUR/GJ3,30

Prodajna cena elektri~ne energijecP

EUR/kW h0,03

Povpre~ni letni izkoristek postrojenjaη%

52

Izkori~enost postrojenjat

h/a7'000

Efektivna dav~na stopnjad%

17,8

Obrestna merap%

6,0

Rezultat kon~nega izra~una neto sedanje vrednosti investicije NSV (p = 6 %)prikazuje preglednica 2.6.

Ugotavljamo, da je neto sedanja vrednost NSV za dane podatke pozitivna, njenaviina pa nam pove, kolikno je pove~anje premoènjskega stanja investitorja(prera~unano na sedanjo vrednost) kot posledica u~inkov denarnih tokov v ~asutrajanja investicije. V opisanem primeru proizvodnje elektri~ne energije je netosedanja vrednost neposredno odvisna od razmer na trgu kapitala (od strokovkapitala, to je obrestne mere najetih kreditov), pa tudi od prodajne cene elektri~neenergije in nabavne cene goriva na trgu. Najprej si poglejmo prvo odvisnost.Ponovni izra~un neto sedanje vrednosti nalo`be pri obrestni meri p = 7 % (drugivhodni podatki se ne spremenijo) nam da negativen rezultat:

NSV (p = 7 %) = – 3'354'557 EUR

kar pomeni, da nalo`ba gospodarsko ni upravi~ena.

38 GOSPODARNOST

Preglednica 2.6. Rezultat izra~una neto sedanje vrednosti NSV

LetoVrednostinvesticije

EUR

Neto denarni tokEUR

Diskontiranavrednost

EUR

0 – 100'000'000 – 100'000'000

1 9'122'646 8'606'270

2 9'122'646 8'119'123

3 9'122'646 7'659'550

4 9'122'646 7'225'990

5 9'122'646 6'816'972

6 9'122'646 6'431'106

7 9'122'646 6'067'081

8 9'122'646 5'723'661

9 9'122'646 5'399'680

10 9'122'646 5'094'038

11 9'122'646 4'805'696

12 9'122'646 4'533'676

13 9'122'646 4'277'053

14 9'122'646 4'034'955

15 9'122'646 3'806'562

16 9'122'646 3'591'096

17 9'122'646 3'387'826

18 9'122'646 3'196'062

19 9'122'646 3'015'153

20 9'122'646 2'844'484

Neto sedanja vrednost NSV (p = 6 %) 4'636'033

O~itno obstajajo neki stroki kapitala, pri katerih neto sedanja vrednost spremenipredznak. Pri tej obrestni meri je vsota denarnih tokov, diskontiranih na sedanji tre-nutek, natanko enaka investicijskemu vlo`ku. Obrestno mero, pri kateri se to zgodi,imenujemo interna stopnja donosa ISD:

NDT p ISD

r p ISDCi

ii

t

I

( )

( )

==

− ==∑

0

0 (2.11)

V primerjavi z izra~unom neto sedanje vrednosti gre v zgornji ena~bi za inverzniproblem, katerega reitev dobimo z eno od numeri~nih metod reevanja nelinearnihena~b, pribli`no pa jo lahko ocenimo tudi grafi~no, slika 2.17. Za obravnavani pri-mer je interna stopnja donosa ISD = 6,57 %.

Interna stopnja donosa ISD pove, kakni so najve~ji stroki kapitala, pri katerihneto denarni tok NDT e povrne za~etni investicijski vloèk.

Prodajna cena elektri~ne energije dolo~a neposredno viino neto denarnega toka, stem pa na dolgi rok tudi neto sedanjo vrednost nalo`be, slika 2.18. Podobno kot pristrokih kapitala obstaja tudi pri prodajni ceni elektri~ne energije neka mejna cena,pri kateri se vrednost nalo`be ohranja in je zatorej njena neto sedanja vrednostenaka ni~. Vsebinsko gledano je to cena, ki smo jo na druga~en na~in opisali kotlastno ceno elektri~ne energije, ki v ~asu trajanja dobe investicije natanko pokrijevse stroke.

Na sliki 2.19 je za obravnavani primer podana analiza neto sedanje vrednosti vodvisnosti od strokov goriva. Ugotavljamo, da se pri nara~anju strokov gorivaneto denarni tok zmanjuje, dokler pri neki mejni vrednosti teh strokov le-ta nezamenja predznaka.


Slika 2.17. Neto sedanja vrednost v odvisnosti od obrestne mere

Dejansko se zaradi razvoja dogodkov na trgih kapitala elektri~ne energije inenergentov razmere stalno spreminjajo. Napoved neto denarnih tokov je zaradi tegazahtevna naloga, tveganje nepravilnih ocen in odlo~itev pa se zmanjuje z dolgo-ro~nim poznanjem razmer na teh trgih.

40 GOSPODARNOST

Slika 2.19. Neto sedanja vrednost v odvisnosti od nabavne cene goriva

Slika 2.18. Neto sedanja vrednost v odvisnosti od prodajne cene elektri~neenergije

2.4 Energetska postrojenja v Sloveniji

Slovenija je revna s primarnimi energijskimi viri, saj mora zunaj dràve kupovative~ kot 60 % primarne energije. Od primarnih energijskih virov imamo domapremog slabe kakovosti, medtem ko so uranova ruda ter skoraj vsa surova nafta inzemeljski plin uvoèni.


Preglednica 2.7. Imenska mo~ na pragu elektrarne za ve~je vodne elektrarnev Sloveniji. Stanje leta 2002

HidroelektrarnaZa~etek

obratovanja,leto

[tevilo turbinImenska mo~

MW

DravogradVuhredVuzenicaMariborski otokO`baltZlatoli~jeFalaFormin

1954/991955/571957/991960/991960/621968/891977/91

1978

33333332

2560535560

13460

112

Skupaj, Drava 1954–1999 23 559

MosteMedvodeMav~i~eVrhovo

1914/77195319871993

6223

28224041

Skupaj, Sava 1914–1993 13 131

Plu`naLogHubeljDoblarPlaveAjbaSolkanZadla~ica

19311931193119391940197519841989

11132132

222

30184

3210

Skupaj, So~a 1931–1989 14 100

Sava BrodSavicaSoteskaCezlakSava KranjLom~ica

19281949

1979/98198519891991

222241

122122

Skupaj, druge 1914–1998 13 10

Skupaj, Slovenija 1928–1999 63 800

Preglednice 2.7, 2.8 in 2.9 prikazujejo imensko mo~ vseh ve~jih termo- in hidro-elektrarn. V letu 2001 so termoelektrarne na fosilna goriva proizvedle 38 %,jedrska elektrarna 36 %, vodne elektrarne 26 % elektri~ne energije (od tega skorajtri ~etrtine elektrarne na Dravi, elektrarne na Savi in So~i pa eno ~etrtino).

Nazorneja je slika, ~e povpre~no letno porabo te energije razdelimo na zimski inletni del. V zimskem delu leta je bilo proizvedenih pribli`no 54 % vse elektri~neenergije, v poletnem pa 46 %. V zimskem (poletnem) delu leta so proizvedletermoelektrarne na fosilna goriva 40 % (32 %) vse elektri~ne energije, jedrskaelektrarna 39 % (31 %) in vodne elektrarne 21 % (37 %).

V zimskih estih mesecih so v Sloveniji potrebe po elektri~ni energiji ve~je, 79 %te porabe morajo pokrivati termoelektrarne, saj hidroelektrarne nimajo dovolj vode.Poleti so potrebe po elektri~ni energiji nekoliko manje, 37 % te porabe pokrivajohidroelektrarne, termoelektrarne pa so deloma v pripravljenosti, deloma imajoredne letne preglede. Ta razmerja se od leta do leta malo spreminjajo.

Preglednica 2.8. Imenska mo~ na pragu elektrarne za ve~je parne in plinsketermoelektrarne v Sloveniji. Stanje leta 2002

TermoelektrarnaZa~etek

obratovanja,leto


MW

[otanj 1 in 2[otanj 3[otanj 4[otanj 5TrbovljeLjubljana 1/2Ljubljana 3KrkoBrestanica, plin

1956196019721977196819671984

1981/002001

211112112

6075

2753451256450

705228

Skupaj 1956–2001 12 1927

Preglednica 2.9. Imenska mo~ na pragu elektrarne za plinsko-parni termo-elektrarni v Sloveniji. Stanje leta 2002

TermoelektrarnaZa~etek

obratovanja,leto


MW

BrestanicaTrbovlje

1943/61/751956/76

3 + 22 + 1

69 + 26 = 9563 + 20 = 83

Skupaj 1956–1976 5 + 3 132 + 46 = 178

Iz preglednic je razvidno, da so nekatere elektrarne è precej stare in se uporabljajozato le e kot rezervne enote. To velja predvsem za termoelektrarne.

42 ENERGETSKA POSTROJENJA V SLOVENIJI

3KLASI^NE TERMOELEKTRARNE

Poglavje obravnava klasi~ne elektrarne s parno turbino, ki kemi~no vezano ener-gijo fosilnih goriv (premog, teko~a in plinasta goriva) s parnim kro`nim procesomspreminjajo v sekundarno energijo v obliki elektri~ne energije. Prikazuje osnovedelovanja, glavne zna~ilnosti, pomembneje sestavne dele parnega turbinskegapostrojenja ter vpliv termoelektrarne na okolje.

3.1 Zna~ilnosti

Klasi~ne elektrarne na fosilna goriva so hrbtenica energetike ve~ine dràv. VSloveniji proizvedejo take elektrarne pribli`no tretjino vse elektri~ne energije,drugo dobimo iz jedrske elektrarne in vodnih elektrarn.

Klasi~ne elektrarne na fosilna goriva imajo dolgo trajnostno dobo, dober izkoristek,primerne so za prav vse vrste goriva, graditi je mogo~e zelo velike enote. Posta-vitev klasi~ne termoelektrarne zahteva za vgrajeni kilowat mo~i zelo velika investi-cijska sredstva, precejnja so tudi obratovalna sredstva, najve~ji del obratovalnihsredstev pride na gorivo. Ve~ o tem je napisano v poglavju o gospodarnosti elek-trarn.

Prerez skozi termoelektrarno, ki je sestavljena iz kopice strojev in naprav,prikazuje slika 3.1. V Sloveniji so najve~je klasi~ne termoelektrarne v [otanju,Ljubljani in Trbovljah.

44 ZNAÎLNOSTI

Slika 3.1. Prerez klasi~ne termoelektrarne; A – parna turbina; B – kondenzator,C – parni kotel; ^ – elektrofilter; D – raz`veplevalna naprava; E – dimnik

3.2 Termodinami~ne osnove

3.2.1 Parni kro`ni proces

Kro`ni proces teoreti~no poteka med dvema izentropama in dvema izobarama. Pritem delovna snov – navadno voda – v procesu spremeni agregatno stanje: v parnemkotlu preide iz teko~ega v plinasto stanje, in v kondenzatorju ponovno v teko~e.Osnovni kro`ni proces poteka v dveh strojih (parna turbina in napajalna ~rpalka) indveh napravah (parni kotel in kondenzator). Kro`ni proces je zaprt, skoraj vednoima regenerativno gretje vode, pri ve~jih enotah pa e ponovno pregrevanje pare.

Teoreti~ni parni kro`ni proces z regenerativnim gretjem napajalne vode in ponov-nim pregrevanjem pare ter shemo klasi~ne termoelektrarne na fosilna gorivaprikazuje slika 3.2. V takem procesu privzamemo v prvem pribliànju izentropnokompresijo in ekspanzijo (brez notranjih nepovra~ljivosti) ter izobarni dovod inodvod toplote (brez preto~nih uporov). Idealni proces poteka takole:

1 – 2 s = konst. 1W2 > 0, 1Q2 = 0

dvig tlaka napajalne vode s ~rpalko za kondenzat od tlaka v kondenzatorju do tlakav rezervoarju napajalne vode (za delovanje postrojenja rezervoar napajalne vode ninujno potreben);

2 – 3 p = konst. 2W3 = 0, 2Q3 > 0

regenerativno gretje napajalne vode v nizkotla~nih grelnikih;

3 – 4 s = konst. 3W4 > 0, 3Q4 = 0

dvig tlaka napajalne vode s kotlovsko napajalno ~rpalko od tlaka v rezervoarjunapajalne vode do tlaka sveè pare (pri postrojenjih, ki nimajo rezervoarja, sta~rpalki za kondenzat in kotlovska napajalna ~rpalka neposredno zaporedno vezani);

4 – 5 p = konst. 4W5 = 0, 4Q5 > 0

regenerativno gretje napajalne vode v visokotla~nih grelnikih;

5 – 6 p = konst. 5W6 = 0, 5Q6 > 0

dogrevanje in uparjanje napajalne vode v parnem kotlu;

6 – 7 p = konst. 6W7 = 0, 6Q7 > 0

pregrevanje pare v parnem kotlu;

7 – 8 s = konst. 7W8 < 0, 7Q8 = 0

ekspanzija sveè pare v visokotla~ni turbini od tlaka sveè pare do tlaka ponovnopregrete pare (navadno pri parnih postrojenjih, ki so ve~ja od 150 MW);

8 – 9 p = konst. 8W9 = 0, 8Q9 > 0

ponovno pregrevanje pare v parnem kotlu;

3 KLASI^NE TERMOELEKTRARNE 45

46 TERMODINAMI^NE OSNOVE

Slika 3.2. Parni kro`ni proces in shema parnega postrojenja v klasi~ni termo-elektrarni

9 –10 s = konst. 9W10 < 0, 9Q10 = 0

ekspanzija ponovno pregrete pare v nizkotla~ni turbini od tlaka ponovno pregretepare do podtlaka (vakuuma) v kondenzatorju;

10 – 1 p = konst. in T = konst. 10W1 = 0, 10Q1 < 0

kondenzacija pare v kondenzatorju.

Dejanski parni kro`ni proces se razlikuje od teoreti~nega. Kompresija ne poteka poizentropi, ampak zaradi upotevanja trenja po nepovra~ljivi adiabati, ki jo jemogo~e predstaviti kot politropo z (notranjim) dovodom toplote, n > κ. Enakovelja tudi za ekspanzijo. Prav tako je treba pri izobarnemu dovodu toplote ra~unatiz zmajanjem tlaka.

Parni kro`ni proces ima dve veliki prednosti:

– zaradi spremembe agregatnega stanja in s tem v zvezi zaradi velike spremembespecifi~ne prostornine delovne snovi se iz koli~inske enote pridobi razmeromaveliko koristnega dela; kompresijsko delo pa je zaradi nestisljivosti vode majhno,in

– zaradi odvajanja toplote po izobari, ki je v mokrem podro~ju isto~asno tudiizoterma, so nepovra~ljivosti pri odvodu toplote iz kro`nega procesa v okolicomajhne.

Kot smo omenili, potekata dovod in odvod toplote (v kotlu in kondenzatorju) prikonstantnem tlaku, kompresija in ekspanzija (v napajalni ~rpalki in turbini) pa brezzunanjega dovoda ali odvoda toplote, torej adiabatno (povra~ljiva adiabata jeizentropa), saj so takne preobrazbe v tehniki praksi najenostavneje izvedljive. Iztermodinamike:

dq = T · ds = dh – v · dp (3.01)

sledi za izobarno spremembo stanja:

dp = 0 ⇒ dq = dh (3.02)

za adiabatno pa:

dq = 0 ⇒ v · dp = dh (3.03)

Dovedena in odvedena toplota kakor tudi dobljeno in vloèno delo, so izraène kotentalpijske razlike, ne glede na to, ali voda pri tem spremeni agregatno stanje.

Lastnosti parnega kro`nega procesa so najbolje razvidne iz Mollierjevega h-s-dia-grama: specifi~ne energije (delo in toplota), ki vstopajo v proces ali iz njega,od~itamo kot daljice na ordinatni osi, slika 3.3.


3.2.2 Mo~ in izkoristek

Prosta mo~, ki je na razpolago za pogon generatorja, je mo~ parne turbine, zmanj-ana za mo~, ki je potrebna za pogon kondenzatne in napajalne ~rpalke, sliki 3.2 in3.3:

P = PT – P^ = &m · [(h7 – h8) + (h9 – h10) – (h2 – h1) – (h4 – h3)] (3.04)

pri tem vpliv regenerativnega gretja napajalne vode zaradi enostavnosti prikaza niupotevan. Mo~ napajalne ~rpalke je v razmerju z mo~jo parne turbine majhna P^

= (0,04–0,06) · PT, zato pogosto v gornji ena~bi ni upotevana. Navadno namre~ocenimo in zdruìmo mo~, ki je potrebna za vse ~rpalke in druge pomo`ne stroje vparnem postrojenju. Zaradi teh porabnikov je prosta mo~ turbine nekoliko manja,poraba mo~i za potrebe elektrarne pa je prikazana kot izkoristek zaradi lastne rabeenergije.

Termi~ni izkoristek kro`nega procesa je razmerje med prosto mo~jo in dovedenimtoplotnim tokom:

[ ]ηt

do

= =⋅ − + − − − − −

⋅P

Q

m h h h h h h h h

m h&

& ( ) ( ) ( ) ( )

& (7 8 9 10 2 1 4 3

7[ ]− + − − −h h h h h4 3 2 9 8) ( ) ( )=

= 1 10 1

7 4 3 2 9 8

−−

− + − − −h h

h h h h h h( ) ( ) ( )(3.05)

Dejanski izkoristek postrojenja je manji, saj je treba upotevati e izkoristke zaradinepopolnosti strojev in naprav: izkoristek kotla ηK, notranji izkoristek turbine ηi,


Slika 3.3. Parni kro`ni proces v Mollierjevem h-s-diagramu

mehanski izkoristek ηm, izkoristek generatorja ηG in izkoristek lastne rabe energijeηLR, slika 3.4. Za izkoristek elektrarne od goriva do praga elektrarne velja:

ηedo

Go

Tid

do

T

Tid

m

T

G

m

E

G

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅&

& &

Q

Q

P

Q

P

P

P

P

P

P

P

P (3.06)

η η η η η η ηe K t i m G LR= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

Zajete so vse glavne izgube, ki nastanejo v elektrarni. Glede na dane razmere jemogo~e upotevati e druge vrste izgub, npr. izgube zaradi nepopolne toplotneizolacije, netesnosti, zobnikega reduktorja itd. V preglednici 3.1 so zbranevrednosti za nekatere pomembneje energijske izkoristke za ve~je in sodobnejetermoelektrarne pri imenski mo~i.

V praksi se poleg izkoristka na pragu elektrarne pogosto uporablja izraz specifi~naporaba toplote, ki je recipro~na vrednost tega izkoristka. Specifi~na poraba toplotet je namre~ razmerje med dovedenim toplotnim tokom in elektri~no mo~jo. Zacelotno postrojenje od goriva do praga elektrarne velja (brez upotevanja regene-rativnega gretja napajalne vode):

[ ]t

m h h h h h h

P=

⋅ − + − − −⋅ ⋅

& ( ) ( ) ( )7 4 3 2 9 8

η ηK LR SG

(3.07)

Zgled. Elektri~na mo~ parnega postrojenja

Teoreti~na toplotna mo~ parnega kotla je QGo = 600'000 kW pri povpre~ni tempe-raturi Tmdo = 400 °C = 673 K. Izgube v kotlu so 10 %, temperatura odvoda toploteje pribli`no enaka temperaturi okolice Tmod = 30 °C = 303 K. Kakna je elektri~namo~, ki jo je mogo~e dobiti s parnim kro`nim procesom?

Dejanski toplotni tok pare iz kotla:& &Q Qdo K Go= ⋅η = 0,90 · 600'000 = 540'000 kW.


Slika 3.4. Shemati~ni prikaz izkoristkov pri pretvorbi energije v termoelektrarni

Elektri~na mo~, ~e upotevamo samo termi~ni izkoristek kro`nega procesa, je:

P QT T

TQt t do

mdo mod

mdoK= ⋅ =

−⋅ =

−⋅η & & '

673 303

673540 000 =

= 0,55 · 540'000 = 297'000 kW

Zaradi temperature, ki vlada na Zemlji, se torej 45 % toplote pare ne more spre-meniti v delo (v elektri~no energijo). Dejansko delo ali dejanska mo~ je e manja.Upotevati je treba izgube, ki so bolj ali manj posledica naih nepopolnihkonstrukcij: izgube v sami parni turbini (≈12 %), mehanske izgube v leàjih turbi-ne in generatorja (≈1 %), elektri~ne izgube v generatorju (≈5 %), izgube mehanskeenergije zaradi lastne rabe (≈6 %):

P Qe t i m LR do= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅η η η η & =

= 0,55 · 0,88 · 0,99 · 0,95 · 0,94 · 540'000 = 231'000 kW

To je elektri~na mo~ na pragu elektrarne. ê kon~no upotevamo e izgube zaraditransformacije energije in zaradi prenosa energije do porabnika (ηPM · ηRM ≈ 7 %),dobimo Pe ≈ 215'000 kW. Torej se skoraj dve tretjini energije, ki jo ima gorivo, nespremeni v elektri~no energijo, ampak gre kot nizkotemperaturna toplota vokolico!

Zgled. Izra~un specifi~ne porabe toplote

Kolika sta specifi~na poraba toplote in dejanski izkoristek termoelektrarne mo~i135 MW. Za izra~un potrebni podatki so zbrani v preglednici 3.2. S temi vrednost-mi lahko po ena~bi (3.07) izra~unamo specifi~no porabo toplote:


Preglednica 3.1. Pribli`ne vrednosti za nekatere energijske izkoristke v ve~jihtermoelektrarnah pri imenski mo~i

Energijski izkoristek η

Parni kro`ni proces 0,48–0,65

Parni kotel, trda gorivateko~a in plinasta goriva

0,82–0,900,86–0,94

Parna turbina, visokotla~nasrednjetla~nanizkotla~na

0,85–0,900,85–0,920,82–0,92

Leàji turbine in generatorja 0,98–0,99

Generator, hlajen z zrakomhlajen z vodikom

0,95–0,970,96–0,98

Energija za lastne potrebe 0,92–0,97

Termoelektrarna, na sponkah generatorja 0,35–0,44

tm h h m h h

P=

⋅ − + ⋅ −⋅ ⋅

& ( ) & ( )SP PP

K LR SG

7 5 9 8

η η=

112 2262 104 492

0 88 0 94 135000

⋅ + ⋅⋅ ⋅, , '

= 2,73

Za 1 kW elektri~ne mo~i potrebujemo torej ≈2,7 kW toplotne mo~i goriva. Reci-pro~na vrednost nam da izkoristek elektrarne na sponkah generatorja:

ηe = =1

0 37t

,

Preglednica 3.2. Izmerjeni in izra~unani podatki po sliki 3.2

Elektri~na mo~ na sponkah generatorja PSG 135'000 kW

Masni tok sveè pare &m SP 112 kg/s

Masni tok ponovno pregrete pare &mPP 104 kg/s

Toplota za kilogram sveè pare z upotevanjem regeneracije (h7 – h5) 2'262 kJ/kg

Toplota za kilogram ponovno pregrete pare (h9 – h8) 492 kJ/kg

Izkoristek parnega kotla ηK 0,88

Izkoristek zaradi lastne rabe energije ηLR 0,94

3.2.3 Izboljanje parnega kro`nega procesa

Na sliki 3.5 so prikazani: temperatura dimnih plinov, parni kro`ni proces (zaradinazornosti brez regenerativnega gretja napajalne vode in ponovnega pregrevanjapare) in temperatura okolice. Krivulja za dimne pline je konstantna, saj se toplota,ki je odvzeta dimnim plinom, z eksotermno reakcijo zgorevanja sproti nadome~a.Ta toplota je na razpolago pri razli~nih temperaturah: v kuri~u parnega kotla prinajviji, na vhodu v dimnik pri najni`ji temperaturi.

Termi~ni izkoristek (en. 3.05) lahko zapiemo tudi s specifi~nimi energijami:

ηtod

do

mod

mdo

= − = −1 1q

q

T

T(3.08)

kjer sta srednji temperaturi dovoda in odvoda toplote definirani, slika 3.6:

Tq

s

T s

s ss

s

mdodo

do SP NV

dNV

SP

= =⋅

−∫

∆

Tq

s

T s

s ss

s

modod

od PK NK

dNK

PK

= =⋅

−∫

∆

(3.09)


Z uporabo srednjih temperatur dovoda (odvoda) toplote lahko poljubni (v naemprimeru izobarni) dovod (odvod) toplote nadomestimo z enakovrednim izoterm-nim, kro`ni proces pa na ta na~in "carnotiziramo". Enako, kot to velja za Carnotovkro`ni proces, lahko re~emo, da je izkoristek parnega kro`nega procesa tem ve~ji,~im vija je srednja temperatura dovoda toplote Tmdo in ~im ni`ja je srednja tempe-ratura odvoda toplote Tmod.

Izboljanje termi~nega izkoristka parnega kro`nega procesa je smiselno predvsemz zvievanjem srednje temperature dovoda toplote Tmdo. Izboljanje termi~negaizkoristka z znièvanjem srednje temperature odvoda toplote Tmod je mogo~e le vomejenem obsegu. Para se kondenzira pri konstantni temperaturi, toplota se zato izkro`nega procesa odvaja po izotermi, izoterma pa je tudi toplotna karakteristikaokolice. Temperaturo, pri kateri se odvaja toplota iz kro`nega procesa, je mogo~enekoliko zniàti s pove~evanjem povrine kondenzatorja, kar pa navadno ni gospo-darno.

Srednjo temperaturo dovoda toplote v praksi zviamo z naslednjimi tehni~nimiukrepi:

• zvievanje temperature in tlaka pare na vstopu v turbino• regenerativno gretje delovne snovi• ponovno pregrevanje delovne snovi• povezava dveh razli~nih kro`nih procesov.


Slika. 3.5. Toplotno stanje dimnih plinov (A), parnega kro`nega procesa (B) inokolice (C)

Zvievanje temperature in tlaka pare na vstopu v turbino

Pri ve~jih parnih turbinah je ta temperatura najve~krat od 520 °C do 560 °C, tlakod 160 bar do 220 bar, pogosto tudi nadkriti~en. Vije temperature omejujejo dragiin premalo vzdr`ljivi materiali za kotlovske cevi, kar se bo v naslednjih letih spre-menilo. Mogo~e je pri~akovati, da bodo nove, odporneje kotlovske cevi dopu~a-le, da se bo temparatura sveè in (dvakratno) ponovno pregrete pare dvignila napribli`no 700 °C, tlak sveè pare pa na 350 bar, slika 3.6.

S termodinami~no analizo parnega kro`nega procesa se da pokazati, da dolo~enitemperaturi sveè pare ustreza samo en tlak, pri katerem ima kro`ni prices opti-malni termi~ni izkoristek. Na sliki 3.7. so izvrednoteni termi~ni izkoristki enostav-nega parnega kro`nega procesa v odvisnosti od parametrov sveè pare. Ugotovimo,da je zlasti pri ni`jih temperaturah sveè pare TSP < 450 °C (ki so zelo pogoste vmanjih, industrijskih postrojenjih) potrebno paziti na optimalno izbiro tlaka sveèpare.

Regenerativno gretje delovne snovi

Srednjo temperaturo dovoda toplote je mogo~e zvievati tudi z regenerativnimgretjem napajalne vode v posebnih prenosnikih toplote, ki izkori~ajo toplotoodjemne pare iz parne turbine. Delo parnega kro`nega procesa se zaradi delnegaodjema masnega toka pare iz turbine nekoliko zmanja, zato pa se ob~utno pove~atermi~ni izkoristek. Napajalno vodo lahko regenerativno grejemo najve~ dotemperature uparjanja pri tlaku, ki je v parnem kotlu. Pri ve~jih parnih postrojenjihje ta temperatura od 250 °C do 320 °C, pri tem je temperaturna meja dana skriti~nim tlakom. Najvija temperatura napajalne vode pred vstopom v kotel je


Slika 3.6. Zvianje temperature in tlaka sveè pare

torej odvisna od tlaka v njem, najni`ja pa od napetosti v kotlovskih ceveh, ki nasta-nejo zaradi prevelikih temperaturnih razlik. Navadno je ta najni`ja temperatura≈105 °C.

Slika 3.8 prikazuje poenostavljeno na~elo regenerativnega gretja napajalne vode priparnem kro`nem procesu (delo kotlovske ~rpalke ni upotevano, ni ponovnegapregrevanja pare itd.). Regenerativno gretje v prikazani obliki ni izvedljivo, je panazorno. Dejansko ne te~e vsa para v grelnik in spet nazaj v turbino, kot toprikazuje slika, ampak je na primernih mestih turbine odvzet manji del pare, ki pase v regenerativnih grelnikih popolnoma kondenzira. Ta postopek je obravnava-nemu termi~no enakovreden.

Gretje napajalne vode poteka vzdol` krivulje 10-1, in sicer s paro, ki je odvzeta izturbine vzdol` stopni~aste ~rte 3-9, tako da je temperatura odjemne pare zaradiprenosa toplote vedno nekaj vija od temperature napajalne vode. Za gretje napa-jalne vode v temperaturnem obmo~ju 10-1 ni treba dovajati od zunaj nobenetoplote. Zato velja:

3Q4 = 12Q1, 5Q6 = 11Q12, 7Q8 = 10Q11 (3.10)

ê je tevilo regenerativnih grelnikov neskon~no veliko, potem preidejo stop-ni~aste ~rte 3-9 v zvezno krivuljo 3-9, ki je ekvidistan~na krivulji 10-1. U~inekregeneracije je tedaj najbolji, termi~ni izkoristek kro`nega procesa pa najve~ji.Plo~ina trapeza a-10-1-~ preide v plo~ino d-9-3-g, parni kro`ni proces je postalbolj podoben Carnotovemu. Zaradi regenerativnega gretja napajalne vode se je


Slika 3.7. Termi~ni izkoristek parnega kro`nega procesa v odvisnosti od tlakain temperature sveè pare

delo kro`nega procesa zmanjalo za plo~ino trikotnika 9-3-3', ki je enaka plo~initrikotnika 10-1-1', sliki 3.8 in 3.9. Termi~ni izkoristek se pove~a:

ηt =−−

>−−

h h

h h

h h

h h2 3

2 1

2 3

2 10

' '(3.11)


Slika 3.8. Princip regenerativnega gretja napajalne vode pri parnem kro`nemprocesu

Ponovno pregrevanje delovne snovi

Nadaljnja mo`nost, da se izbolja termi~ni izkoristek parnega kro`nega procesa, jeponovno pregrevanje delovne snovi, slika 3.10. Poiskati je treba optimalni vmesnitlak, pri katerem prekinemo ekspanzijo pare v turbini in jo ponovno pregrevamo vkotlu. Pri tem morajo biti poznani temperatura in tlak sveè pare, temperaturanapajalne vode in temperatura kondenzacije, ki je pribli`no enaka temperaturiokolice.

Dovod toplote dQ pri temperaturi T povia eksergijo toplote pare za:

d d dtET

TQ T QQ = −

⋅ = ⋅1 0 η ( ) (3.12)

Termi~ni izkoristek ηt je najve~ji, ~e je razmerje med skupnim pove~anjem dela(eksergije) in v proces dovedene toplote najve~je. Torej je treba poiskati najve~jovrednost termi~nega izkoristka, ki je definiran takole:

ηt max

d d

=−

⋅ + −

⋅

+

∫∫ 1 10 0

3

4

1

2

1 2 3 4

T

TQ

T

TQ

Q Q(3.13)

Termi~ni izkoristek je najve~ji, ~e je temperatura v to~ki 3 po sliki 3.10 enakasrednji temperaturi dovoda toplote: T3 = Tmdo. Pri izpeljavi Tmdo bomo zaradipoenostavitve zanemarili tla~ne izgube:

1 2 2 1Q m h h= ⋅ −( ) (3.14)


Slika 3.9. Parni kro`ni proces pri neskon~no velikem tevilu regenerativnihgrelnikov napajalne vode

3 4 4 3Q m h h= ⋅ −( ) (3.15)

d dQ m T s= ⋅ ⋅ (3.16)

S preoblikovanjem ena~be 3.13 in poenostavitvijo: Tmod = TO lahko zapiemo:

T

T

T

TQ

T

TQ

Q Q0

0 0

3

4

1

2

1 2 3

1

1 1

mdo

d d

= −−

⋅ + −

⋅

+

∫∫4

= 11 2 3 4

0 0

3

4

1

2

1 2 3 4

−+ − ⋅ − ⋅

+

∫∫Q QT

TQ

T

TQ

Q Q

d d

= 1 10 0

3

4

1

2

2 1 4 3

− +⋅ − ⋅

− + −

∫∫T Q T Q

h h h h

d d

( ) ( )=

T s s T s s

h h h h0 2 1 0 4 3

2 1 4 3

⋅ − + ⋅ −− + −

( ) ( )

( ) ( )(3.17)

Po ureditvi ena~be dobimo za srednjo temperaturo dovoda toplote:

Th h h h

s s s smdo =− + −− + −

( ) ( )

( ) ( )2 1 4 3

2 1 4 3

(3.18)

Kot è omenjeno, mora biti temperatura v to~ki 3 izbrana tako, da je ηt(T3) = ηt max,zato mora veljati:

T Th h h h

s s s smdo = =− + −− + −3

2 1 4 3

2 1 4 3

( ) ( )

( ) ( )(3.19)


Slika 3.10. Ponovno pregrevanje pare

Ker vsebuje ena~ba (3.19) dve neznanki (T3 in h3), je do reitve treba priti ziterativno metodo. S tem je implicitno podan tudi tlak ponovnega pregrevanja: paraekspandira v visokotla~ni turbini do tlaka, ki ustreza optimalni temperaturi T3. Taoptimalni tlak ponovno pregrete pare je bil dolo~en s predpostavko, da imamoenkratno ponovno pregrevanje pare in da je koli~ina pare pred pregrevanjem in po


Slika 3.11. Dvakratno ponovno pregrevanje pare

Slika 3.12. Optimalni tlaki ponovno pregrete pare v odvisnosti od tlaka in tem-perature sveè pare

njem ostala nespremenjena, kar ne ustreza dejanskim razmeram, saj potrebujemodel pare za regenerativno gretje napajalne vode. Vseeno pa je razmiljanje mogo~eposploiti. Pri dvakratnem ponovnem pregrevanju in pri zmanjanju koli~ine parepo vsaki ekspanziji velja, slika 3.11:

µ 34 = 3 4

1 2

&

&

m

min µ 56 = 5 6

1 2

&

&

m

m(3.20)

T Th h h h h h

s s334 56

34

= =− + ⋅ − + ⋅ −− + ⋅5

2 1 4 3 6 5

2 1

( ) ( ) ( )

( ) (

µ µµ s s s s4 3 6 5− + ⋅ −) ( )µ 56

(3.21)

Podobno kot v prejnjem primeru, se tudi zgornja ena~ba rei numeri~no.

Taka optimiranja se uporabljajo lahko le kot vodilo. Dejanski tlak ponovnegapregrevanja pare je npr. dolo~en s konstrukcijo turbine in drugih naprav. Optimalnetemperature in tlaki leìjo v resnici nekoliko ni`je, vendar ne pod mejno krivuljo:izkoristek nizkotla~ne turbine namre~ z nara~ajo~o vla`nostjo pare mo~no pada,kar v gornjih razmiljanjih ni bilo upotevano. Slika 3.12 prikazuje optimalne tlakeponovno pregrete pare, kjer so poleg teoreti~nih izkuenj upotevane tudi prak-ti~ne.

Povezava dveh razli~nih kro`nih procesov

Izboljanje termi~nega izkoristka je mogo~e tudi z dvema kro`nima procesoma.Pred desetletji je obratovala elektrarna, kjer je bila pri vijih temperaturah delovnasnov ìvo srebro in pri ni`jih voda, slika 3.13. Tako postrojenje se zaradi strupenihìvosrebrnih par, dragih konstrukcijskih materialov in premajhne zanesljivostiobratovanja ni izkazalo. V novejem ~asu je govor o drugih mogo~ih kombi-


Slika 3.13. Sestavljeni kro`ni proces: ìvo srebro in voda

nacijah, npr. kalij-voda, voda-amoniak itd., deloma tudi v povezavi z izkori~anjemenergije son~nega sevanja. Odli~ne lastnosti pa je pokazala kombinacija zrak-vodav plinsko-parnih elektrarnah, kar bo obravnavano pri plinskih postrojih.

3.3 Glavni sestavni deli

3.3.1 Parni kotli

V klasi~nih termoelektrarnah na fosilna goriva je parni kotel najve~ja in najdra`janaprava. Slika 3.14 prikazuje enega od najbolj razirjenih tipov. V kuri~u parnegakotla se kemi~no vezana energija fosilnih goriv pretvori v toploto dimnih plinov.Ta prehaja v cevnih prenosnikih toplote na vodo, ki se pri tem segreje, upari inpregreje na temperaturo, ki jo zahteva parna turbina. Tlak te sveè pare je izklju~noposledica delovanja kotlovske ~rpalke.

Gledano s strani napajalne vode so za termoelektrarne primerni vodnocevni kotli.Sem spadajo: kotli z naravnim obtokom, s prisilnim obtokom in s prisilnim preto-kom. Parni kotel s prisilnim pretokom je e posebej primeren za velike termo-elektrarne. Njegove prednosti so:

– primeren je za vse, tudi nadkriti~ne tlake sveè pare;– njegova konstrukcija je lahka, saj niso potrebni kotlovski boben in padni vodi;– hitrosti vode in vodne pare so precej ve~je kot pri drugih vrstah kotlov, zato je

prenos toplote bolji, dvi`ni vodi imajo manji premer in konstrukcija je la`ja;– tok vode in vodne pare je to~no definiran;– zaradi manje koli~ine vode v ceveh, ki je od 5- do 10-krat manja kot pri kotlih z

naravnim ali prisilnim obtokom, je mogo~e obratovanje parne turbine s spre-minjajo~im se tlakom sveè pare;

– v primeru nesre~e je nevarnost manja, saj je koli~ina vode in vodne pare manjakot pri kotlih z naravnim ali prisilnim obtokom, nevarnosti eksplozije pa sploh ni.

Slabosti parnega kotla s prisilnim pretokom:

– kotlovska napajalna ~rpalka mora biti mo~neja, saj so tla~ni upori v kotlu ve~ji(od 30 bar do 50 bar) kot pri kotlih z naravnim ali prisilnim obtokom (od 10 bar do20 bar);

– regulacija je zahtevna in ob~utljiva.

Gledano s strani goriva in dimnih plinov se parni kotli za termoelektrarne razli-kujejo po vrsti goriva (trda, teko~a in plinasta) in po na~inu zgorevanja goriva vkuri~u. Za trda goriva so v rabi:

• zgorevanje na reetki• zgorevanje v stacionarni lebde~i plasti

60 GLAVNI SESTAVNI DELI


Slika 3.14. Parni kotel s prisilnim pretokom; A – grelnik vode, B – uparjalnik,C – pregrevalnik, ^ – gorilnik, D – grelnik zraka, E – ventilator podpiha

• zgorevanje v kroè~i lebde~i plasti in• prano zgorevanje.

Vzemimo, da imamo veliko posodo s sitastim dnom, ki je delno nasuto z zdrob-ljenim premogom in pod katerim od spodaj vpihavamo zrak. Glede na hitrost zrakavZ in izgubo tlaka skozi nasutje (plast) Dp je mogo~e dolo~iti tri, med sebojpopolnoma razli~na podro~ja zgorevanja trdih goriv, slika 3.15.


Slika 3.15. Izguba tlaka skozi suspenzijo trdo gorivo-zrak v odvisnosti odhitrosti zraka; A – zgorevanje na reetki, B – zgorevanje v stacionarni lebde~iplasti, C – zgorevanje v kroè~i lebde~i plasti, ^ – prano zgorevanje

Trdno nasutje

Pri majhnih hitrostih zraka vZ skozi nasutje je aerodinami~na sila zaradi upora vplasti premajhna, da bi v njej premaknila delce premoga, zato se debelina nasutjane spremeni: Fg > FVz + FU. Padec tlaka ∆p se zaradi aerodinami~nega upora vplasti premoga pove~uje z ve~anjem hitrosti. Tako zgorevanje na reetki, kjer jepremog nasut v kosih, je primerno za manje kotle. Sile, ki delujejo na delcepremoga v nasutju, prikazuje slika 3.16.

Stacionarna lebde~a plast

Pri nadaljnjem pove~evanju hitrosti zraka se pri neki mejni hitrosti vZ = vLP plastnasutja zrahlja: sila teè se izena~i s silama stati~nega vzgona in aerodinami~negaupora: Fg = FVz + FU. Pri hitrosti vLP delci v plasti nasutja lebdijo, debelina plasti∆H pa se neznatno pove~a. Z nara~anjem hitrosti se debelina plasti pove~uje,padec tlaka v plasti pa ostane v irokem razponu hitrosti vZ > vLP nespremenjen, sajse pove~uje njena poroznost (zmanjuje gostota). Pri stacionarni lebde~i plasti sohitrosti zraka do 2,5 m/s, premogov prah ima premer od 0,5 mm do 6 mm, toplotnaobremenitev kuri~a je 1–2 MW/m2.

Kroè~a lebde~a plast

Nadaljnje pove~anje hitrosti v plasti lahko doseèmo tako, da z zrakom v plastiustvarimo kro`no gibanje, pri tem pa se debelina plasti e pove~a. Na ta na~inlahko bolje izkoristimo zgorevalni volumen, kotli pa so za enako toplotno mo~manji. Najla`je delce goriva in pepela tok dimnih plinov vseeno odnaa, zato jih jetreba s ciklonom izlo~ati in vra~ati nazaj v plast. Pri kroè~i lebde~i plasti sohitrosti zraka od 7 m/s do 10 m/s, premogov prah ima premer od 0,5 mm do 2 mm,


Slika 3.16. Sile, delujo~e na nasuto plast v toku: Fg sila teè, FVz sila stati~ne-ga vzgona, FU sila aerodinami~nega upora

toplotna obremenitev kuri~a je 4–6 MW/m2. Zgorevanje v kroè~i plasti jemogo~e tudi pod tlakom (manje dimenzije, bolji prenos toplote, manje obreme-nitve okolja). Pri tlaku 10 bar je na primer mogo~a toplotna obremenitev kuri~a do20 MW/m2. Zgorevanje v lebde~i plasti pri atmosferskem tlaku in pri vijih tlakihje e v razvoju.

Pnevmati~ni transport, prano zgorevanje

Pri velikih hitrostih zraka skozi nasutje vZ odnaa zra~ni tok s seboj premogovprah, padec tlaka se pove~uje z nara~ajo~o hitrostjo zraka, saj o gostoti plasti nive~ mogo~e govoriti. Tako zgorevanje premogovega prahu imamo pri vseh ve~jihparnih kotlih.

Ravnote`je sil v plasti

Za sile, ki delujejo na plast s plo~ino A in debelino DH, velja ravnote`ni pogoj:

FR – g · ρm · A · ∆H + A · ∆p = 0 (3.22)

Sili teè Fg in stati~nega vzgona FVz sta zdruèni v FR in pri tem je upotevanasrednja gostota nasutja ρm, sila aerodinami~nega upora je FU = A · Dp. Od toddobimo silo, s katero deluje plast na reetko:

FR = g · ρm · A · ∆H – A · ∆p (3.23)

Pri majhnih hitrostih vZ < vLP (trdno nasutje) je sila na reetko FR ve~ja od ni~. Znara~anjem hitrosti vZ se ta sila zmanjuje, dokler se pri vZ = vLP ne zmanja na ni~(zrahljano nasutje). V taki, popolnoma zrahljani plasti, sta si sili teè in aerodina-mi~nega upora v irokem obmo~ju hitrosti vZ = vLP enaki:

∆pLP = g · ρm · ∆H (3.24)

Kljub nara~anju hitrosti vZ > vLP se ravnote`je ne porui, padec tlaka ∆pLP ostajakonstanten, debelina plasti DH se pove~uje, srednja gostota nasutja ρm pa se nara~un ve~anja prostorninskega deleà zraka εZ zmanjuje. Pri tem je skupnaprostornina premoga in zraka V = VP + VZ in poroznost nasutja:

εP + εZ =V

V

V

VP Z+ = 1 (3.25)

ter srednja gostota nasutja:

ρm = ρP · εP + ρZ · εZ (3.26)

V lebde~i plasti je meja nasutja premoga dobro vidna in je podobna prosti povriniteko~ine. ê odnese zra~ni tok delec premoga ~ez zgornji rob plasti, deluje naprerez tega delca samo e hitrost zraka. Zajezni tlak postane tako majhen, da tadelec premoga pade nazaj v lebde~o plast.

Lastnosti zgorevanja v lebde~i plasti:

– povrina delcev v stiku z zrakom je glede na prostornino posode zelo velika;


– hitrost zraka je najve~ja;– prenos toplote je od 5- do 8-krat ve~ji kot pri zgorevanju v klasi~nih kotlih, saj je

povrina delcev velika, velika pa je tudi hitrost na sti~ni povrini med delcempremoga in zrakom;

– padec tlaka je v velikem obmo~ju skoraj nespremenjen, zato je mogo~e izbratitake ventilatorje za podpih, ki imajo pri teh hitrostih najbolji izkoristek;

– toplotna prevodnost je visoka (vrtin~enje v lebde~i plasti je primerljivo sturbulenco v fluidih), zato so lahko temperature zgorevanje ni`je, od 800 °C do900 °C, kar zmanjuje disociacijo dimnih plinov in s tem koli~ino NOX;

– dodajanje novega goriva je zelo enostavno, zato je mogo~e premogu dodajati tudiapnenec za izlo~anje SO2; apnenec ima v lebde~i plasti dovolj ~asa, da se z`veplovim dvokisom spoji v sadro, ki jo je mogo~e odstraniti skupaj s pepelom;

– delci premoga morajo imeti ~im bolj enak premer, kajti è malo manje delceza~ne zra~ni tok odnaati s seboj;

– zaradi stalnega medsebojnega dotika delcev premoga se tvori prah, ki ga zra~nitok nezgorelega odnaa s seboj;

– zaradi mo~nih vrtincev in trdnih delcev zgorevalni prostor hitro erodira.

ê se pove~uje tlak v zgorevalnem prostoru, se zgorevanje premoga, prenos toplotein tvorjenje sadre pove~ujejo, koli~ine NOX in dimenzije kuri~a pa zmanjujejo.Potrebne debeline sten se pove~ujejo, dovod premoga pa oteùje. Razlikujemo:

– atmosfersko zgorevanje v lebde~i plasti, pri ~emer je obremenitev kuri~a od2 MJ/(m2·s) do 6 MJ/(m2·s) in

– nadtla~no zgorevanje v lebde~i plasti, pri ~emer je obremenitev kuri~a ≈20MJ/(m2·s) pri tlaku 10 bar.

Atmosfersko zgorevanje je v praksi nekajkrat preizkueno, medtem ko je nadtla~nozgorevanje ele v povojih. Nadtla~no zgorevanje v lebde~i plasti ima lepo bodo~-nost, na primer v zvezi s plinsko-parnim procesom.

Parni kotel za kurjenje s smetmiParni kotel za kurjenje s smetmi se v novejem ~asu pojavlja vse pogosteje. Takkotel je zgrajen podobno kot tisti na trda goriva z zgorevanjem na reetki, ima panekaj posebnosti, slika 3.17. Kurilnost smeti je nizka Hi = (4'000–7'000) kJ/kg,~asovno se mo~no spreminja, smeti vsebujejo veliko vlage. Zato so potrebnakuri~a z zelo velikimi zgorevalnimi reetkami in velikimi povrinami zaodlaganje, razvr~anje in pripravo smeti. Sestava smeti je odvisna od letnega ~asapa tudi od blagostanja in navad prebivalcev. Zato je nujna predhodna ve~letnaanaliza sestave smeti iz okoliev, ki so predvideni za zbiranje. Ta sestava smetizahteva tehni~no izvedbo toplotnega postrojenja, na primer: odstranjevanje kovinpred seìgom ali po njem, seìganje ali odstranjevanje plastike itd. Zaradi spremi-njanja kurilnosti smeti se spreminja tudi temperatura sveè pare, kar neugodnovpliva na zanesljivost obratovanja in trajnostno dobo parne turbine. Spremenljivakurilnost povzro~a tudi teàve pri obratovanju postrojenja.


Koli~ine smeti pogosto ne zadostujejo za neprekinjeno 24-urno obratovanje, zatoso taka postrojenja zelo primerna za pokrivanje vrnih potreb po energiji. Manjatoplotna postrojenja, ki so kurjena s smetmi, proizvajajo toploto, ve~ja paelektri~no energijo ali so~asno elektri~no energijo in toploto. Proizvedenaelektri~na energija in toplota navadno ne pokrivata celotnih strokov obratovanja,pa~ pa kurjenje smeti prispeva k boljemu reevanju problema odpadkov.

3.3.2 Parne turbine

Parna turbina je stroj, v katerem se na majhnem prostoru in v kratkem ~asu pretvoriveliko notranje in tla~ne energije, najprej v kineti~no energijo in nato naprej vmehansko delo. Glede na velikost postrojenja so mogo~e razli~ne izvedbe: manjapostrojenja do 150 MW brez ponovnega pregrevanja pare in ve~ja z enkratnim alidvakratnim ponovnim pregrevanjem pare. Zadnje navedeno pride v potev le prizelo visokih parametrih (temperatura in tlak) sveè pare, taka postrojenja bodo vobratovanju ele v naslednjih letih. Ve~je turbine so navadno izvedene v ve~ samo-stojnih okrovih: visokotla~ni, srednjetla~ni in nizkotla~ni del, slika 3.18. Posebnopri nizkotla~nem delu turbine je mo`nih mnogo razli~ic: eden, dva ali trije okrovi,navadno izvedeni kot dvoj~ki. Nadalje se izvedbe parnih turbin razlikujejo medseboj glede na to, od kod prihaja sveà para: iz parnega kotla ali iz jedrskegareaktorja.

Mo~ parne turbine se menja z manjanjem ali ve~anjem masnega toka pare. Takaregulacija se imenuje koli~inska regulacija. Doseèmo jo tako, da v parovod sveèpare pred turbino vgradimo vzporedno od dva do est regulacijskih ventilov, ki seodpirajo ali zapirajo zaporedno glede na zahtevano mo~, slika 3.19. Tlak sveèpare ostane pri tem ne glede na mo~ nespremenjen.

ê je dovoljeno, da se spreminja tlak v kotlu, potem govorimo o drsni regulaciji.Regulacijski ventili pri turbini dobijo podrejeno vlogo, popolnoma so odprti, in


Slika 3.17. Parni kotel za kurjenje s smetmi: A – prostor za raztovor; B – zalo-govnik; C – dodajalnik; ^ – zgorevalna komora; D – zgorevalne reetke; E – od-`lindravanje; F – parni kotel; G – elektrofilter; H – pranje dimnih plinov; I – dimnik


Slika 3.18. Vzdol`ni prerez parne turbine; A – visokotla~ni del, B – srednje-tla~ni del, C – nizkotla~ni del, ^ – dovod sveè pare iz kotla, D – prvo vmesnopregrevanje pare, E – drugo vmesno pregrevanje pare, F – izstop pare v izturbine (vstop v kondenzator), G – oljna ~rpalka

sicer od neke majhne mo~i pa do imenske. Ti ventili se za~no pripirati ele, kopade zahtevana mo~ turbine pod najmanjo dopustno mo~ kotla.

Soodvisnost vstopnega in izstopnega tlaka ter masnega toka pare v turbini jeraziskal Stodola in nael naslednjo zakonitost (Stodolov stoèc), slika 3.20, A:

&

&

m

m

p p

p pi i i2

2

2 2

2 2=

−−

a w

a w

(3.27)

pri tem je &m znani masni tok skozi turbino, pa znani tlak pare na vstopu v turbino inpw znani tlak pare na izstopu iz turbine. Indeks i ozna~uje razmere pri iskaniobremenitvi. Vstopni pa in izstopni tlak pw se nanaata na katero koli skupinoturbinskih stopenj, ~e le te~e skozi konstantni tok pare &m. ê nimamo odjemnepare, ~e je torej pretok skozi turbino od za~etka do konca nespremenjen, potemvelja ena~ba za celotno turbino. ê gre za kondenzacijsko turbino, se ena~ba (3.27)poenostavi, saj velja pa >> pw:

&

&

m

m

p

pi i≈ a

a

(3.28)

Ena~ba (3.28) je posebno zanimiva za primer, da je izstopni tlak v kondenzatorjukonstanten (pw = konst.), k ~emer stremimo pri kondenzacijskih in protitla~nihparnih turbinah. Za taken primer prikazuje slika 3.20 B povezavo med pa in &m. êse zmanjuje odjemni tlak pare pred turbino, se zmanjuje tudi mo~. Premosorazmerno odjemnemu tlaku se zmanjuje tudi tok odjemne turbinske pare zaregenerativni grelnik napajalne vode.

Parne turbine bodo tudi v prihodnje zadràle svojo vodilno vlogo v klasi~nih injedrskih elektrarnah pri proizvodnji elektri~ne energije, nadalje pri soproizvodnji


Slika 3.19. Regulacijski ventili parne turbine

elektri~ne energije in toplote ter pri plinsko-parnem procesu, kjer njihova pomemb-nost e nara~a.

Zgled. Parni kro`ni proces pri izklopu parne turbineSlika 3.21 prikazuje obratovalno shemo v klasi~ni termoelektrarni za primer, daparna turbina pri polni obremenitvi nenadoma preneha obratovati. Vzemimo, daokvara elektri~nega omre`ja povzro~i odklop generatorja od javnega omre`ja. Vnekaj sekundah se zapro varnostni ventili za dovod sveè pare v turbino. Para izkotla za~ne te~i mimo turbine v visokotla~no reducirno-hladilno postajo, kjer sehladi z napajalno vodo. Ohlajena sveà para se vra~a v kotel in te~e kot ponovnopregreta para mimo turbine v nizkotla~no reducirno-hladilno postajo, kjer se spetohladi z vodo iz kondenzatorja in se kon~no v kondenzatorju kondenzira. Kerturbina ne dobi ve~ pare, ostanejo brez odjemne pare vsi regenerativni grelniki,razen mealnega grelnika na rezervoarju napajalne vode in enega grelnika, ki jenavadno priklju~en na parovod ponovno pregrete pare. Visokotla~nareducirno-hladilna postaja je najve~krat na~rtovana za 100-odstotni pretok sveèpare, nizkotla~na pa za 60- do 70-odstotni, pri nekaterih vrstah parnih kotlov e zamanj. Tako je zagotovljeno, da gre pri izklopu turbine skozi varnostne ventileparnega kotla v okolico zelo malo ali ni~ pare.

Z nekaterimi predpostavkami in izkustvenimi vrednostmi je mogo~e izra~unatineznane pretoke v tem posebnem primeru obratovanja. Pri izklopu turbine lahkopredpostavimo naslednje robne pogoje:

– najmanji tlak pregrete pare za visokotla~no reducirno-hladilno postajo: ≈12 bar;– temperatura predgrete pare za visokotla~no reducirno postajo: ≈300 °C;– tlak v rezervoarju napajalne vode: 1,2 bar;


Slika 3.20. Odvisnost tlakov pare pred turbino in za njo ter masnega toka (Sto-dolov stoèc)

– temperatura napajalne vode v visokotla~nem regenerativnem grelniku vode:≈188 °C (pribli`no enaka temperaturi nasi~ene pare pri ≈12 bar);

– temperatura kondenzata v kondenzatorju: ≈30 °C;– specifi~na entalpija vode pred ~rpalko in za njo: pribli`no konstantna.

Vse predpostavljene vrednosti je mogo~e z iteracijo preveriti in po potrebi spre-meniti. Ra~un je napravljen za elektrarno imenske mo~i 300 MW, ki ima parnikotel s prisilnim pretokom. Po izklopu turbine proizvaja kotel e nekaj ~asa okrog30 % sveè pare. Znani so e naslednji podatki:

&mSP = 75,0 kg/s

pSP = 160 bar

TSP = 540 °C

p^ = 180 bar

Toplotna bilanca A po sliki 3.21 za visokotla~no reducirno-hladilno postajo:

75,0 · 3414 + &mVR · 453 = (75,0 + &mVR ) · 3045

&mVR = 10,68 kg/s

Toplotna bilanca B po sliki 3.21 za visokotla~i grelnik napajalne vode:

75,0 · 453 + &mVG · 3045 = 75,0 · 806 + &mVG · 798

&mVG = 11,78 kg/s

Toplotna bilanca C po sliki 3.21 za rezervoar napajalne vode:

&mR · 3045 + 11,78 · 798 + (75,0 + 10,68 – &mR – 11,78) · 126 =

= &mR · (75,0 + 10,68) · 439

&mR = 6,48 kg/s

Toplotna bilanca ^ po sliki 3.21 za nizkotla~no reducirno-hladilno postajo:

(75,0 + 10,68 – 6,48 – 11,74)·3045 + &mNR · 126 =

= (75,0 + 10,68 – 6,48 – 11,74 + &mNR ) · 2556

&mNR = 13,58 kg/s

S tem so izra~unani vsi pretoki vode in pare, ki pa so samo pribli`ni, saj so biliizra~unani na osnovi nekaterih predpostavk. Kljub temu pa so rezultati dovolj za-nesljivi za prvo na~rtovanje visokotla~ne in nizkotla~ne reducirno-hladilne postaje,priklju~nih cevovodov in armatur.


3.3.3 Kondenzatorji

Iz zadnje stopnje nizkotla~nega dela parne turbine te~e mokra para v kondenzator,ki je name~en pod parno turbino in povezan s turbinskim okrovom. Hitrost teekspandirane turbinske pare na vhodu v kondenzator je od 50 m/s do 120 m/s,koli~ina se spreminja od ≈60 % sveè pare za velika parna postrojenja, ki imajoobse`no regenerativno gretje napajalne vode (kjer torej kondenzira ≈40 % pare), do


Slika 3.21. Shema parnega kro`nega procesa pri izklopu turbine

Legenda:

p / bar h / (kJ/kg)

&m / (kg/s) T / °C


Slika 3.22. Kondenzator pare; A – vstop pare iz turbine, B – izstop kondenzata,C – cevi za hladilno vodo, ^ – obra~anje toka hladilne vode v stranski komori

100 % za manja industrijska parna postrojenja brez regenerativnega gretja. Paravsebuje od 8 % do 12 % (do 15 % pri jedrskih elektrarnah) vlage in odda svojokondenzacijsko toploto hladilni snovi (navadno hladilni vodi, zelo redko zraku),spremeni pri tem agregatno stanje, s tem pa se njena specifi~na prostornina mo~nozmanja. Kondenzator je zelo velik povrinski prenosnik toplote, ki je sestavljen izsnopov cevi, v katerih te~e hladilna voda, okrog cevi pa se kondenzira turbinskapara, slika 3.22. Kondenzat se zbira na dnu kondenzatorja, od koder ga ~rpalka zakondenzat tla~i skozi regenerativne grelnike nazaj proti parnemu kotlu alijedrskemu reaktorju. Kondenzator ima glavno nalogo, da glede na drugi glavnistavek termodinamike poskrbi za odvod toplote iz kro`nega procesa, ima pa edruge pomembne naloge.

Da bi bil termi~ni izkoristek ~im ve~ji, mora para ekspandirati do ~im ni`jetemperature: skoraj do izstopne temperature hladilne vode, ki je najve~krat od15 °C do 45 °C. Pri tej izstopni temperaturi hladilne vode je tlak nasi~enjaekspandirane pare v kondenzatorju od 0,017 bar do 0,096 bar. Para lahko obstajapri tako nizkih temperaturah samo, ~e je tlak v kondenzatorju dovolj nizek. Videalnem primeru bi se tak tlak vzpostavil samodejno z dovolj u~inkovitim


Slika 3.23. Kondenzacijski del parnega postrojenja; A – parna turbina, B –generator, C – kondenzator, ^ – ~rpalka za kondenzat, D – ~rpalka za hladilnovodo, E – vakuumska ~rpalka, F1 – visokotla~na reducirna naprava, F2 –nizkotla~na reducirna naprava, G – izparjevalna cev, H – ventil za prekinitevvakuuma, I – cevovod za dodajno vodo, J – razli~na odvodnjavanja

odvodom toplote (kondenzacijo), saj se specifi~ni volumen pare pri kondenzacijimo~no zmanja (pri temperaturi nasi~enja 30 °C je npr. razmerje specifi~nihvolumnov suhe pare in kondenzata v''/v' = 32'750). Toda v praksi vseenopotrebujemo vakuumske ~rpalke, saj je potrebno zadostni vakuum zagotoviti tudiob zagonu ter iz kondenzatorja stalno odvajati inertne pline, ki zaradi netesnostivdirajo v kondenzator. Tako je doseèna najve~ja mogo~a entalpijska razlika medentalpijo sveè pare in entalpijo pare v kondenzatorju.

Kondenzator se uporablja tudi kot razplinjevalnik zraka in drugih inertnih plinov,ki so raztopljeni v vodi. Kondenzacija pare je namre~ tako hitra, da ostane delplinov v teko~i fazi in se izlo~i iz kondenzata ele po dolo~enem ~asu. Zato morabiti prostornina zbiralnika kondenzata dovolj velika in s tem zadrèvalni ~askondenzata v njem dovolj dolg. To je va`no predvsem pri parnih postrojenjih, kinimajo nobene druge razplinjevalne naprave. Zbiralnik kondenzata je so~asnoregulacijska posoda za kondenzatno ~rpalko. Stremeti je treba, da kondenzat vzbiralniku ni preve~ podhlajen, saj ga je treba v regenerativnih grelnikih spetsegreti. Za ve~ja postrojenja je izkustvena vrednost za podhladitev kondenzata≈0,5 K. Z ve~anjem podhladitve kondenzata se sicer zmanjuje verjetnost kavi-tacije kondenzatnih ~rpalk, zmanjuje pa se tudi izkoristek termoelektrarne.

Kondenzacija in razplinjanje turbinske pare nista edini nalogi kondenzatorja. Kot jerazvidno s slike 3.23, priteka v kondenzator pri zagonu in zaustavitvi postrojenja,pri izklopu turbine ali drugih posebnih dogodkih nasi~ena para iz nizkotla~nereducirne-hladilne naprave. V kondenzator so speljana vsa va`neja odvodnjavanja,vanj priteka dodajna voda iz hladnega rezervoarja kondenzata. Ta kemi~no priprav-


Slika 3.24. Vakuumski ~rpalki: levo – parna ejektorska; desno – mehanska zvodnim obro~em: A – rotor; B – pesto; C – ohije; ^ – sesalne reè; D – vodniobro~; E – tla~ne reè

ljena voda je potrebna zaradi izgub, ki nastanejo zaradi kaluènja kotla, raznihnetesnosti v sistemu, izgub tesnilne in zaporne pare itd.

Kondenzatorju so prigrajene vakuumske ~rpalke, ki so potrebne iz ve~ razlogov,slika 3.24. Pri zagonu parnega toplotnega postrojenja je treba iz~rpati zrak inustvariti podtlak v kondenzatorju, v nizkotla~nem delu parne turbine in v deluregenerativnih grelnikov napajalne vode (~as ~rpanja je od 60 min do 120 min).[ele ko doseè podtlak v postrojenju okoli 0,3 bar, za~ne parna turbina obratovati.Zagonska vakuumska ~rpalka je grajena za velike koli~ine zraka in manjepodtlake.

Pri normalnem obratovanju termoelektrarne se zaradi netesnosti v podtla~nem delupostrojenja in zaradi razli~nih kemi~nih reakcij pri kemi~ni pripravi vode nabirazrak in drugi plini okrog najhladnejih cevi kondenzatorja. Zrak in druge inertnepline je treba zato stalno odsesavati, sicer bi parcialni tlak teh plinov za~el nara~atiin z njim vred celotni tlak v kondenzatorju. Zmes plinov (≈1/3) in pare (≈2/3)odvaja iz kondenzatorja v okolico posebna ~rpalka – vakuumska ~rpalka, parni alivodni ejektor. Zamotano je odvajanje te zmesi pare in zraka pri jedrskih elek-trarnah z vrelnim reaktorjem, saj je ta zmes rahlo radioaktivna in ne sme naravnostna prosto.

Odzra~evanje parnega dela kondenzatorja s parnima ejektorjema prikazuje slika3.25. Parni ejektor dvigne tlak v eni stopnji na 5- do 7-kratno vrednost. ê je tlak vkondenzatorju ≈0,05 bar, se v eni stopnji dvigne na 0,25 bar do 0,35 bar. Kerdoseèni tlak ne zado~a za spu~anje inertnih plinov v okolico, se zato pri parnemturbinskem postrojenju uporabljajo vedno dve ali celo tri zaporedne ejektorskestopnje. Zmes doteka v prvo stopnjo ejektorja, kjer se plini komprimirajo, para pase v prigrajenem hladilniku kondenzira; delno komprimirani plini odtekajo nato vdrugo stopnjo, kjer se opisani postopek ponovi pri vijem tlaku. Ventilator, ki jeprigrajen pri zadnji stopnji ejektorja, izpihuje pline na prosto pri tlaku, ki je nekajviji od tlaka okolice. Parne ejektorje v zadnjem ~asu uspeno izpodrivajo


Slika 3.25. Odzra~evanje parnega dela kondenzatorja z dvema zaporednovezanima parnima ejektorjema

mehanske vakuumske ~rpalke z vodnim obro~em, slika 3.24, saj so ravno takozanesljive v obratovanju, energijsko pa so veliko manj potratne.

V~asih je potrebno tudi odzra~evanje vodnega dela kondenzatorja, ~e je namre~~rpalka za hladilno vodo projektirana tako, da vlada v najvijih kondenzatorskihceveh podtlak. V tem primeru je treba postaviti posebno vakuumsko ~rpalko, kiima nalogo, da vzpostavi podtlak in vzdrùje natego. Odzra~evanje vodnega delakondenzatorja, ki ga prikazuje slika 3.26, je na izstopni vodni komori, tam je tlaknajni`ji. Vstopna in izstopna vodna komora sta med seboj povezani s posebnimcevovodom.

Kondenzatorske cevi so iz bakrenih zlitin, nerjavnega jekla ali titana. Za mehansko~i~enje teh cevi in s tem za dober prehod toplote je zelo pogosto vgrajena samo-dejna ~istilna naprava, slika 3.27. Posebna ~rpalka potiska v dovodni cevovod


Slika 3.26. Odzra~evanje vodnega dela kondenzatorja

Preglednica 3.3. Nekatere pribli`ne vrednosti za izra~un kondenzatorja

Suhost pare na vstopu v kondenzator x = 0,85–0,92

Odvedena toplota 1 kg pare:Turbine s ponovnim pregrevanjem pareManje turbine brez ponovnega pregrevanja pare

∆h ≈ 2260 kJ/kg∆h ≈ 2150 kJ/kg

Najmanja temperaturna razlika voda/para (priblièk)Segrevanje hladilne vode

TK – TV2 = 4–8 KTV2 – TV1 = 8–15 K

Razmerje med hladilno vodo in kondenzatomRazmerje med povrino kondenzatorske cevi in hladilno vodo

&mV/ &mK ≥ 30A/ &mV ≥ 48 m2/(kg/s)

Hitrost hladilne vode v kondenzatorskih ceveh:Zlitine bakra, nerjavno jekloTitan

vV = 1,6–2,0 m/svV ≤ 2,4 m/s

hladilne vode kroglice iz penaste gume enakega ali ve~jega premera, kot je notranjipremer cevi kondenzatorja. Kroglice se ob vstopu v kondenzatorske cevi deformi-rajo na njihov premer, potujejo z vodnim tokom skoznje in jih tako mehansko~istijo. V povratnem cevovodu hladilne vode je name~eno posebno sito, ki tekroglice lovi in jih s posebno ~rpalko vodi nazaj na izhodi~no mesto.

Nekatere izkustvene vrednosti za izra~un kondenzatorja so zbrane v preglednici3.3.

Zgled. Kondenzator jedrske elektrarne v Krkem

Iz tehni~nih podatkov za jedrsko elektrarno Krko je mogo~e za imensko elektri~nomo~ 705 MW od~itati vrednosti, ki so potrebne za izra~un kondenzatorja:

masni tok pare v kondenzator: &mK = 575 kg/s

masni tok hladilne vode: &mV = 24 m3/s ≈ 24'000 kg/s

kondenzacijska toplota mokre pare: ∆h = 2'245 kJ/kg

povrina kondenzatorske cevi: A = 48'930 m2

temperatura kondenzata: TK = 33,3 °C

vstopna temperatura hladilne vode: TV1 = 17,0 °C


Slika 3.27. îstilna naprava za kondenzatorske cevi; A – obto~na ~rpalka zavodo in kroglice, B – dotok hladilne vode za kondenzator, C – kondenzator,^ – sito, D – odtok hladilne vode

Temperaturne razmere v kondenzatorju prikazuje slika 3.28, pri tem je iz kro`negaprocesa odvedeni toplotni tok:

&

& & ( )Q m h m c T Tpod K V V2 V1= ⋅ = ⋅ ⋅ − =∆ 575 · 2'245 = 1'291'000 kW

( )' '

' ,T TV2 V1− =

⋅1291000

24 000 4 19K = 12,8 K

Za elektri~no mo~ ≈705 MW je potrebno v okolico odvesti toplotni tok 1291 MW.Pri tem se 24 m3/s hladilne vode iz Save segreje za 12,8 K. Toplota, ki te~e izkondenzatorja v okolico, je torej skoraj dvakrat tolikna, kot je proizvedena elek-tri~na energija. V jedrski elektrarni Krko bo leta 2006 posodobljena parna turbina,njen notranji izkoristek ηi se bo pove~al tako, da bo na~rtovana elektri~na mo~ nasponkah generatorja okrog 728 MW. Ker se toplotna mo~ generatorja toplote, vtem primeru jedrskega reaktorja, ne bo spremenila, bo v okolico odtekalo manjtoplote, dejanski izkoristek elektrarne se bo izboljal.

Delazmo`nost iz kondenzatorja odvedene toplote je majhna, saj odteka v okolicopri nizki temperaturi. Eksergija te toplote je namre~:

& &ET T

TQQ

K V1

Kod=

−

⋅ =

306 45 290 15

306 451291000

, ,

,' '

−

⋅ = 68'700 kW

Kondenzator oddaja v hladilno vodo veliko energije, a zelo malo eksergije; energij-sko gledano je slaba naprava, eksergijsko pa zelo dobra.


Slika 3.28. Temperaturne razmere v kondenzatorju

Iz ena~be za prenos toplote lahko izra~unamo toplotno prehodnost:

kQ

A

T T

T T

T T T T= ⋅

−−

− −

&

ln

( )( )od

K V1

K V2

K V1 K V2

=

=1201000

48 930

33 3 17 0

33 3 28 933 3 17 0 3

' '

'

ln, ,

, ,( , , ) (

⋅

−−

− ⋅ 3 3 28 9, , )−= 2,66 kW/(m2·K)

Iz toplotne prehodnosti k, ki je precej nizka, je mogo~e je skleniti, da je povrinakondenzatorskih cevi A dokaj velika.

3.3.4 Hladilni sistemi

Odvod toplote iz kondenzatorja v okolico je mogo~ na ve~ na~inov, slika 3.29. êje hladilni sistem odprt, imamo preto~no hlajenje (primera A in ^), ~e pa je sistemzaprt, potem imamo obto~no hlajenje (primera B in C).

Hlajenje kondenzatorja s preto~no vodo, slika 3.29A. ^rpalke, ki so postavljene obbreg reke, jezera ali morja, potiskajo del re~ne vode skozi cevni kondenzator.Re~na voda, ki je v kondenzatorju sprejela kondenzacijsko toploto pare, te~e izkondenzatorja nazaj v strugo, kjer se pomea z drugo re~no vodo.

Hlajenje s preto~no vodo je najgospodarneja in termodinami~no najbolja reitev.Potrebna oprema je enostavna, povrinski kondenzator ima dobro toplotno pre-hodnost, kar pripomore k dobremu vakuumu v kondenzatorju in s tem k boljemuizkoristku postrojenja. Za velike, sodobne termoelektrarne so potrebne velikekoli~ine vode in s tem v zvezi velika toplotna obremenitev reke. Temperatura re~nevode se namre~ po predpisih ve~ine razvitih dràv po meanju z ogreto vodo izkondenzatorja ne sme dvigniti za ve~ kot 2 K do 3 K. To velja tudi za Slovenijo.

Hlajenje kondenzatorja z vodo iz hladilnega stolpa, slika 3.29B. ^rpalke potiskajohladilno vodo iz hladilnega stolpa skozi cevni kondenzator in iz kondenzatorjanazaj v hladilni stolp. Segreta hladilna voda, ki je v kondenzatorju sprejelakondenzacijsko toploto pare, odda v hladilnem stolpu to toploto zraku z neposred-nim stikom in se pri tem ohladi na za~etno temperaturo. Zaradi temperaturehladilne vode, ki je vija od temperature re~ne vode, je vakuum v kondenzatorju vprimerjavi s preto~nim hlajenjem slabi.

U~inkovitost hladilnega stolpa je odvisna od relativne vla`nosti zraka. Posebno privisokih temperaturah zraka in majhni relativni vla`nosti se voda ne ohlaja samozaradi konvekcije, ampak tudi zaradi izhlapevanja. Izguba hladilne vode zaradiizhlapevanja je pribli`no enaka koli~ini vodne pare, ki se kondenzira v kondenza-torju (megla nad hladilnim stolpom!) in je od 1 % do 2 % celotne koli~ine hladilnevode.

Hladilno mo~ stolpa pove~amo do 40 %, ~e vgradimo ventilatorje za zrak, ki solahko postavljeni pred pri~em ali za njim. Naravno konvekcijo zraka smo tako


nadomestili s prisilno, hladilni stolp je manji in ceneji, za obratovanje ventila-torjev pa je potrebna elektri~na mo~, obratovanje je dra`je.

Potrebna oprema je pri termoelektrarni s hladilnim stolpom glede na preto~nohlajenje obse`neja in dra`ja: ogromen hladilni stolp (za jedrsko termoelektrarnomo~i 1000 MW je premer stolpa pribli`no 140 m in viina pribli`no 170 m), velikiin dolgi cevovodi ter mo~ne ~rpalke za hladilno vodo.

Hlajenje kondenzatorja s kondenzatom iz hladilnega stolpa v zaprtem sistemu,slika 3.29C. Turbinska para se kondenzira v mealnem in ne v cevnem kondenza-torju. Iz zbiralnika kondenzata na dnu kondenzatorja odteka manji del kondenzatav parni kotel ali jedrski reaktor, ve~ji del (od 50- do 70-kratna koli~ina) pa zuporabo posebnih obto~nih ~rpalk v povrinske prenosnike toplote, ki so postav-ljeni na spodnjem delu hladilnega stolpa. Tu kondenzat odda toploto okolikemuzraku in se ohlajen vra~a v kondenzator. Zaradi temperature kondenzata, ki jeprecej vija od temperature re~ne vode, je vakuum v kondenzatorju v primerjavi spreto~nim hlajenjem precej slabi.


Slika 3.29. Hladilni sistemi za odvod toplote iz kondenzatorja; A – hlajenjekondenzatorja s preto~no vodo, B – hlajenje kondenzatorja z vodo iz hla-dilnega stolpa, C – hlajenje kondenzatorja s kondenzatom iz hladilnega stolpav zaprtem sistemu, ^ – hlajenje kondenzatorja z okolikim zrakom

Tak na~in hlajenja je upravi~en, ~e ni na razpolago skoraj ni~ vode za hlajenje.Sam mealni kondenzator je sicer ceneji od cevnega, druga oprema je pa zeloobse`na, draga in komplicirana: ogromen hladilni stolp, veliki prenosniki toplote(toplotna prehodnost voda – zrak je majhna!), veliki in dolgi cevovodi ter zelomo~ne obto~ne ~rpalke. Krmiljenje je ob~utljivo: vklop in izklop dela prenosnikovtoplote in ventilatorjev je namre~ odvisen od temperature okolice.

Hlajenje kondenzatorja z okolikim zrakom, slika 3.29^. Turbinska para se kon-denzira v ceveh povrinskega kondenzatorja, okoli cevi pa piha okoliki zrak, ki sepri prehodu skozi snope cevi ogreje; za pretok zraka skrbijo ventilatorji. Ker jeprestop toplote na strani zraka slab, so potrebne velike prenosne povrine, zato socevi na zunanji strani rebraste. Ti rebrasti prenosniki toplote so pogosto postavljenina streho turbinske zgradbe, slika 3.30. Vakuum v kondenzatorju mo~no poslabadolg parovod med turbino in kondenzatorjem: zaradi dolgega parovoda imamo


Slika 3.30. Primer hlajenja kondenzatorja z zrakom

namre~ na parni strani tla~ne izgube, ki viajo tlak na izstopu iz turbine in s temzmanjujejo razpolo`ljivo entalpijsko razliko.

Hlajenje pare iz turbine z zrakom je upravi~eno, ~e ni na razpolago prav nobenehladilne vode. Potrebna oprema je glede na preto~no hlajenje zelo obse`na indraga: velik in kompliciran kondenzator, ki zahteva veliko talno povrino, dolg inrazvejen parovod, mo~ni ventilatorji, ob~utljivo krmiljenje. Ker je v prihodnjetreba ra~unati s pomanjkanjem hladilne vode, je treba ra~unati tudi s tako tehni~noreitvijo.

Zgled. Dvig temperature reke Save zaradi hladilne vode iz termoelektrarn

Ob Ljubljanici in Savi so postavljena tiri ve~ja toplotna parna postrojenja, ki zaodvod toplote iz kro`nega procesa uporabljajo re~no vodo. Nekateri tehni~nipodatki za ta toplotna postrojenja so zbrani v preglednici 3.4.

Vzemimo, da je naravna temperatura Save T = 17 °C = 290 K, njen trenutni pretokpa naj bo za ta poenostavljeni, olski primer po vsej re~ni dolìni konstanten innizek, namre~ 100 m3/s ≈ 100'000 kg/s, kar je seveda velika poenostavitev. Zakoliko se segreje re~na voda nad svojo naravno temperaturo zaradi odvoda toploteiz termoelektrarn?

Toplotni tok reke:

&

&Q m c Tp= ⋅ ⋅ = 100'000 · 4,19 · 290 = 121'510'000 kW

K temu toplotnemu toku je treba priteti toplotni tok zaradi odvoda toplote iztermoelektrarn &Qod . ê obratujejo vse elektrarne z vso mo~jo in zanemarimosprotno ohlajevanje reke, ki v resnici ni zanemarljivo, potem velja, da se re~navoda segreje za pribli`no:

∆TQ Q

m cT

p

=+⋅

−&

&

od =121510 000 1462 000

100 000 4 19

' ' ' '

' ,

+⋅

– 290 = 3,7 K

ê ponovimo ra~un za razli~ne re~ne pretoke &m, dobimo krivuljo, ki jo prikazujeslika 3.31. Dejanska krivulja leì ni`je, saj je treba upotevati tudi sprotno hlajenje


Preglednica 3.4. Ve~je termoelektrarne, hlajene z re~no vodo Ljubljanice inSave

Toplotno postrojenjeElektri~na mo~

Pi / MWToplotna mo~

&QT / MWToplotni tok

&Qod / MW

Toplarna LjubljanaToplarna LjubljanaTermoelektrarna TrbovljeJedrska elektrarna Krko

3250125705

365600

3758166

1291

Skupaj 912 92 1552

reke. Nadalje lahko z uporabo preglednice 3.4 izra~unamo, da toplota iz jedrskeelektrarne segreje Savo za 3,1 K, vse druge termoelektrarne pa za nadaljnjih 0,6 K.

3.3.5 ^rpalke

Najva`neje ~rpalke v turbinskem kro`nem procesu so:

– napajalna ~rpalka za parni kotel ali uparjalnik jedrskega reaktorja

– ~rpalka za kondenzat iz kondenzatorja in

– ~rpalka za hladilno vodo.

Za obratovanje termoelektrarne pa so potrebne e druge ~rpalke. Primer prikazujeslika 3.32. Vse ~rpalke porabljajo od 4 % do 6 % v termoelektrarni proizvedeneelektri~ne energije, odvisno od vrste kotla, parametrov sveè pare in na~ina hla-jenja kondenzatorja. Najve~ji porabnik energije je kotlovska napajalna ~rpalka.

Napajalno ~rpalko za parni kotel ali uparjalnik jedrskega reaktorja ène elektro-motor, pogosto tudi posebna parna turbina. ^rpalka sesa vrelo vodo iz rezervoarjanapajalne vode, kjer je temperatura vode od 150 °C do 180 °C in ustrezni tlakuparjanja od 5 bar do 10 bar. Rezervoar napajalne vode mora biti postavljengeodetsko tako visoko, da zagotavlja za vse primere obratovanja zadostno sesalnoviino, sicer pride do uparjanja v sesalnem cevovodu in posledi~no kavitacije vnapajalni ~rpalki. Zaradi teàv s sesalno viino je napajalni ~rpalki zaporednoprigrajena pred~rpalka s ~im manjo sesalno viino.


Slika 3.31. Teoreti~no segrevanje Save zaradi toplote hladilne vode iz termo-elektrarn, ki so postavljene ob reki in njenih pritokih

Na tla~ni strani kotlovske napajalne ~rpalke so tlaki zelo visoki (od 150 bar do 400bar), zato je rotor ~rpalke vgrajen v poseben notranji pla~, ki ima nalogo, dazmanja sile in napetosti zaradi velikih tla~nih razlik med sesalno in tla~no stranjo~rpalke, slika 3.33. Zaradi varnosti obratovanja klasi~nih ali jedrskih elektrarn jevedno predvidena e rezervna ~rpalka. Pogosto imajo ve~je termoelektrarne izved-


Slika 3.32. Najva`neje ~rpalke v termoelektrarni; A – kotlovska napajalna~rpalka, B – ~rpalka za hladilno vodo, C – ~rpalka za kondenzat, ^ – ~rpalkaza hladilno vodo za hlajenje generatorja, D – ~rpalka za odvod kondenzata izregenerativnega grelnika, E – ~rpalka za kondenzat iz razli~nih odvodnjavanj,F – ~rpalka za surovo vodo, G – ~rpalka za dodajno vodo, H – ~rpalka zapomo`ni rezervoar hladilne vode, I – ~rpalka za kondenzat za regulacijotemperature pregrete pare, J – ~rpalka za olje za leàje turbine in generatorja,K – rezervoar napajalne vode, L – zbiralnik kondenzata iz razli~nihodvodnjavanj, M – rezervoar dodajne vode, N – pomo`ni rezervoar hladilnevode


Slika 3.34. ^rpalka za hladilno vodo; A – sesalno ustje, B – rotor z nastavljivimigonilnimi lopaticami, C – difuzor, ^ – nosilna in za~itna cev, D – nosilni okvir,E – aksialno-radialni leàj, F – elektromotor

Slika 3.33. Kotlovska napajalna ~rpalka

bo 3 × 50 %: pri imenski mo~i termoelektrane sta dve ~rpalki v obratovanju, tretjaje v rezervi.

^rpalka za kondenzat ~rpa vrelo vodo iz zbiralnika na dnu kondenzatorja, kjer jetemperatura vode od 15 °C do 45 °C in ustrezni tlak uparjanja od 0,017 bar do0,096 bar. Da ne pride do uparjanja v sesalni cevi in posledi~no kavitacije v~rpalki, mora biti ~rpalka za kondenzat postavljena dovolj globoko pod konden-zator. To je pogosto geodetsko najni`ja to~ka v termoelektrarni. Na tla~ni strani sotlaki zmerni (od 10 bar do 40 bar). Zaradi varnosti obratovanja je vedno predvidenae rezervna ~rpalka, pogosto enako, kot je izvedba pri napajalnih ~rpalkah 3 ×50 %: pri imenski mo~i termoelektrarne sta dve ~rpalki v obratovanju in tretja je vrezervi.

^rpalka za hladilno vodo ~rpa vodo iz reke, morja ali hladilnega stolpa in jopotiska skozi kondenzator, slika 3.34. Zna~ilne so velike preto~ne koli~ine inmajhne dobavne viine, kar vodi k aksialni konstrukciji stroja. ^rpalka za hladilnovodo je navadno postavljena navpi~no, tako da ima brez poglabljanja konstrukcijeves sesalni del ~rpalke potrebno sesalno viino. Poganja jo po~asen ve~polnielektromotor. Izvedbe ~rpalk za hladilno vodo so: 2 × 50 %, 3 × 33 % in za naj-ve~je termoelektrarne 4 × 25 %. Navadno so vse ~rpalke v obratovanju.

Zgled. Izra~un dobavne viine ~rpalk za hladilno vodo

Termoelektrarna elektri~ne mo~i 300 MW je hlajena z morsko vodo, spisek porab-nikov hladilne vode je v preglednici 3.5.

Preglednica 3.5. Porabniki hladilne vode za termelektrarno 300 MW

Porabniki hladilne vode &V / (m3/s)

KondenzatorKondenzator parne turbine za napajalno ~rpalkoKondenzator tesnilne pareVodni ejektorHladilnik mazalnega oljaHladilnik vodika za rotor generatorjaHladilnik vode za stator generatorjaHladilnik regulacijske teko~ine

9,7200,4700,0300,2100,1500,0600,1400,020

Skupaj 10,800

Dobavno viino je mogo~e dolo~iti po sliki 3.35. Izra~unati je treba:

– izgube potencialne energije vode zaradi razlike viin;– izto~ne izgube kineti~ne energije vode iz kondenzatorja in– izgube tla~ne energije v kondenzatorju, cevovodih in armaturah.

Kondenzator je postavljen tako, da deluje kot natega: razlika med zgornjim robomkondenzatorja in robom jezu na izto~ni strani kondenzatorja je 8,5 m. V obrato-


vanju se ta razlika zmanja za debelino toka hladilne vode ~ez odto~ni jez ∆HJ, zato debelino pa se pove~a geodetska razlika viin.

Tok vode ~ez pravokotni prerez jezu irine B = 6,5 m:

&V B g H= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅2

32 3µ ∆ J

koeficient µ = 0,6 je odvisen od geometrije jezu. Po preureditvi ena~be dobimodebelino toka hladilne vode ~ez odto~ni jez:

∆HV

BJ = ⋅

0 683

2 3

,&

/

= 1,0 m

Razlika geodetskih viin med zajetjem hladilne vode in njenim povratkom v morjeje po sliki 3.35:

DHG = 4,5 – 2,5 = 2,0 m

Skupna viinska razlika vode:

DHJ + DHG = 3,0 m


Slika 3.35. Postavitev ~rpalke za hladilno vodo

Izguba kineti~ne energije zaradi izstopne hitrosti vode iz cevi v = 2,42 m/s

v

g

2

2 ⋅= 0,3 m

Izra~unana izguba tla~ne energije skozi kondenzator je ∆HK = 1,5 m, izra~unaneizgube v cevovodih ∆HC = 0,4 m in izgube skozi protipovratno loputo ter motornozaporno loputo ∆HA = 0,3 + 0,2 = 0,5 m. Skupaj:

DHK + DHC + DHA = 2,4 m

Dobavna viina ~rpalke za hladilno vodo je vsota vseh izgub:

DH^ = (DHJ + DHG) +v

g

2

2 ⋅+ (DHK + DHC + DHA) = 5,7 m

Navadno se pri izra~unu dobavne viine ~rpalke doda neka rezerva. Viina terezerve je odvisna od natan~nosti ra~unanja, od pomembnosti ~rpalke v toplotnempostrojenju itd. Nikakor pa ni treba dodajati rezervo na izra~unano preto~nokoli~ino, saj jo je mogo~e dolo~iti dovolj natan~no. So~asna rezerva v dobavniviini in koli~ini pomeni namre~, da ~rpalka obratuje stalno v razmerah, ki niso ve~optimalne (ni`ji izkoristek ~rpalke).

3.3.6 Regenerativni grelniki

Regenerativni grelniki napajalne vode imajo nalogo, da izboljajo termi~ni izko-ristek kro`nega procesa, kot je utemeljeno è v poglavju 3.2.3. Ti grelniki so lahko:

– povrinski prenosniki toplote z odtekanjem kondenzata odjemne pare v posodo zni`jim tlakom (kaskadna povezava) ali s pre~rpavanjem kondenzata odjemnepare v glavni vod (s ~rpalko);

– mealni prenosniki toplote.

Navadno imamo opravka s povrinskimi grelniki (napajalna voda je v ceveh,turbinska odjemna para okrog cevi), mealni grelnik pa pride v potev predvsempri rezervoarju napajalne vode. Nadalje se regenerativni grelniki napajalne vodedelijo v dve tla~ni skupini:

– nizkotla~ni grelniki so vgrajeni med kondenzator in visokotla~no ~rpalkonapajalne vode (tlak napajalne vode: 10–40 bar);

– visokotla~ni grelniki so vgrajeni med visokotla~no ~rpalko napajalne vode inparni kotel ali jedrski reaktor (tlak napajalne vode: 150–400 bar).

Na sliki 3.36 prikazana reitev je primerna za ve~ja postrojenja od 150 MW naprej.V splonem ima regenerativni grelnik tri predele, sliki 3.37 in 3.38. V prvempredelu se odjemna para ohladi do temperature kondenzacije, v drugem in glavnemodda svojo kondenzacijsko toploto in pri tem spremeni agregatno stanje, v tretjempredelu pa se njen kondenzat hladi. Hlajenje kondenzata odjemne pare je mogo~e v



Slika 3.36. Regenerativni grelniki napajalne vode v termoelektrarni; A – parnikotel, B(1), B(2), B(3) – visoko-, srednje- in nizkotla~ni del parne turbine,C – generator, ^ – kondenzator, D – ~rpalka za kondenzat, E – nizkotla~nigrelniki (1. in 3. kaskadna stopnja, 2. in 4. stopnja s pre~rpavanjem), F – ~rpal-ki za pre~rpavanje kondenzata odjemne pare v glavni vod, G – rezervoarnapajalne vode s prigrajenim mealnim grelnikom, H – kotlovska ~rpalka zanapajalno vodo, I – visokotla~na grelnika v kaskadi (6. stopnja ima prigrajenlo~en prenosnik toplote za hlajenje pregrete pare in lo~en prenosnik toplote zahlajenje kondenzata, 7. stopnja pa lo~en prenosnik toplote za hlajenje kon-denzata)

Preglednica 3.6. Pribli`ne vrednosti za toplotno prehodnost za regenerativnegrelnike napajalne vode

Povrinski grelnik napajalne vode k / (W/(m2 ⋅K))

Pregreta para/pregreta para

Pregreta para/napajalna voda

100–250

200–800

Nasi~ena para/napajalna voda (visokotla~ni)

Nasi~ena para/napajalna voda (nizkotla~ni)

Nasi~ena para/napajalna voda (vakuum)

2900–4200

1700–2900

1000–1700

Kondenzat/napajalna voda (visokotla~ni, vgrajen)

Kondenzat/napajalna voda (visokotla~ni, lo~en)

Kondenzat/napajalna voda (nizkotla~ni, vgrajen)

Kondenzat/napajalna voda (nizkotla~ni, lo~en)

700–1700

1600–2400

500–800

700–1600

prenosniku toplote, ki je konstrukcijsko popolnoma lo~en od kondenzacijskegadela (ve~ji investicijski stroki, bolji prenos toplote) ali pa v prenosniku, ki jekonstrukcijsko prigrajen kondenzacijskemu delu (ceneje, slabi prenos toplote).Hlajenje kondenzata se zaradi negospodarnosti pogosto ne izvaja, ~eprav se s temmalenkostno poslaba termi~ni izkoristek kro`nega procesa.

Za ve~je klasi~ne termoelektrarne na fosilna goriva je skupno tevilo regene-rativnih stopenj od 6 do 8, pri jedrskih termoelektrarnah s tla~novodnim ali vrelnimreaktorjem pa zaradi ni`jih parametrov (tlaka in temperature) sveè pare samo od 5do 6. Manje, industrijske termoelektrarne navadno nimajo regenerativnih grelni-kov. Pribli`ne vrednosti za toplotno prehodnost pri povrinskih grelnikih napajalnevode so navedene v preglednici 3.6.

Vsaka regenerativna stopnja porabi pribli`no od 5 % do 7 % vse pare, ki joproizvaja parni kotel ali jedrski reaktor. Za gretje napajalne vode se porablja skupajdo 40 % pare, ki vstopa v visokotla~no parno turbino, in toliko manj jo pride vkondenzator. Zaradi regenerativnega gretja napajalne vode se termi~ni izkoristekkro`nega procesa pove~a od 7 % do 13 %. S tem se zmanjujejo obratovalni stroki(poraba goriva), zviujejo pa investicijski. Zaradi regenerativnega gretja napajalnevode ima termoelektrarna – ~isto ra~unsko gledano – nekaj manjo elektri~no mo~,skozi zadnje turbinske stopnje te~e manj pare, zato se ustrezno zmanjajo preto~ni


Slika 3.37. Temperaturne razmere pri protito~nem prenosniku toplote


Slika 3.38. Visokotla~ni grelnik napajalne vode v pokon~ni izvedbi; A – vstopnapajalne vode, B – izstop napajalne vode, C – vstop odjemne pare, ^ – izstopodjemne pare, D – vstop kaskadno hlajenih kondenzatov, E – cevi, F – pla~,G – oporne plo~e, H – nosilna konzola, I – odsesavanje plinov, J – hlajenjepregrete pare, K – hlajenje kondenzata

prerezi in s tem dimenzije zadnjih turbinskih lopatic. Prav tako se zaradi manjekoli~ine pare skozi nizkotla~ne dele postrojenja zmanjajo dimenzije konden-zatorja, isto~asno se zmanja tudi odvod toplote v okolico. V parnem kotlu alijedrskem reaktorju se zaradi vije vstopne temperature napajalne vode nekolikozmanjajo potrebne prenosne povrine, zaradi manje temperaturne razlike (dimniplini/napajalna voda oziroma reaktorska hladilna snov/napajalna voda) pa sezmanjajo tudi napetosti v materialih. Ti ukrepi isto~asno pocenijo tudi izvedbonizkotla~ne turbine in kondenzatorja.

Regenerativni grelniki napajalne vode so velike in drage naprave, zato so navadnonjihove termodinami~ne in konstrukcijske veli~ine pridobljene z optimizacijskimra~unom. Nekatere izkustvene vrednosti va`nejih najmanjih temperaturnih razlikso zbrane v preglednici 3.7.


Preglednica 3.7. Pribli`ne vrednosti za najmanje temperaturne razlike zaregenerativne grelnike napajalne vode

Vrsta regenerativnega grelnika napajalne vode DT / K

Segrevanje napajalne vode v visokotla~nem hladilniku pare (TK2–TKω) = 4–7

Segrevanje napajalne vode v nizkotla~nem hladilniku pare (TK2–TKω) < 1

Segrevanje napajalne vode v kondenzacijskem delu (TKω–TKα) = 25–40

Segrevanje napajalne vode v hladilniku kondenzata (TKα–TK1) = 1–3

Najmanja temperaturna razlika v kondenzacijskem delu, nasi~enapara/napajalna voda (= priblièk)

(TPn–TKω) = 3–7

Najmanja temperaturna razlika v hladilniku kondenzata (TP2–TK1) = 5–10

Temperaturna razlika nasi~ena para/napajalna voda na izstopu izhladilnika pare

(TK2–TPn) = –1–(+1)

Slika 3.39. Princip regenerativnega gretja napajalne vode v termoelektrarni

Za eno regenerativno stopnjo je mogo~e prihranke pri gorivu prikazati z enostav-nimi ena~bami; tevil~ni primer za tako stopnjo je podan na sliki 3.39. Izkaè se,da so – termodinami~no in ne gospodarsko gledano – med seboj popolnomaenakovredne reitve: povrinski prenosnik toplote s pre~rpavanjem kondenzata,povrinski prenosnik toplote s hlajenjem kondenzata z neskon~no veliko povrinoin mealni prenosnik toplote.

Masna in energijska bilanca za regenerativni grelnik po sliki 3.39:

& & &m m mSP K P= + (3.29)

& & ( & & )m h m h m m hP P K K P K K⋅ + ⋅ ′ ≈ + ⋅ (3.30)

Za nadaljnje ra~unanje je ugodno, ~e vpeljemo entalpijski razmernik odjemne pare:

χ =−− ′′

h h

h hSP P

SP K

(3.31)

Predpostavimo, da je notranja mo~ turbine enaka tako za primer regenerativnegagretja, kakor tudi brez njega Pi

* = Pi. Veli~ine, ki se nanaajo za primer brezregeneracije toplote, so ozna~ene z zvezdico:

& ( ) & ( ) ( & & ) (*m h h m h h m m h hSP SP K SP SP P SP P P K⋅ − ′′ = ⋅ − + − ⋅ − ′′ ) (3.32)

Ena~bo (3.32) zapiemo z upotevanjem ena~be (3.31) in preuredimo:

& & ( ) &

*m m mSP SP P= + − ⋅1 χ (3.33)

& & &

*m m mSP K P= + ⋅χ (3.34)

Da ostane notranja mo~ turbine nespremenjena kljub odjemu pare iz nje, se morapove~ati dotok sveè pare v turbino za ( ) &1− ⋅χ mP , dotok pare v kondenzator pazmanjati za χ ⋅ &mP .

Dejansko se dovedeni toplotni tok v kro`ni proces zaradi regenerativnega gretjazmanja. Prihranek, pri ~emer je &

*Qdo toplotni tok brez regeneracije in &Qdo toplotnitok z regeneracijo, je:

σ =−& &

&

*

*

Q Q

Qdo do

do

=& ( ) & ( )

& ( )

*

*

m h h m h h

m h hSP SP K SP SP K

SP SP K

⋅ − ′ − ⋅ −⋅ − ′

=

= 1 –( & & ) ( )

( & & ) ( )

m m h h

m m h hK P SP K

K P SP K

+ ⋅ −+ ⋅ ⋅ − ′χ

=

= 1 –& ( ) & ( )

& ( ) & (

m h h m h h

m h h m hK SP K P SP K

K SP K P SP

⋅ − + ⋅ −⋅ − ′ + ⋅ ⋅ −χ ′hK )

(3.35)


ê upotevamo ena~bo (3.30) in jo vstavimo v gornji izraz, dobimo:

σ = 1 –

& ( ) & ( )

&

mh h

h hh h m h h

mh h

h

PP K

K KSP K P SP K

PP K

K

⋅−− ′

⋅ − + ⋅ −

⋅−− ′h

h h m h hK

SP K P SP K⋅ − ′ + ⋅ ⋅ − ′( ) & ( )χ(3.36)

Po preureditvi ena~be dobimo za prihranek toplotnega toka zaradi regeneracijekon~ni izraz:

σ = 1 –h h

h h

h h h h

h h h hSP K

SP K

P K K K

P K K K

−− ′

⋅− + − ′

− + ⋅ − ′( ) ( )

( ) ( )χ(3.37)

V zgornjih ena~bah so entalpije hK, hP in χ medsebojno povezani.

Pri dani notranji mo~i turbine se regenerativna toplota (hK – h'K) spreminja z raz-mernikom odjemne pare χ. Ena~ba (3.37) ima dve mejni vrednosti:

– Tlak odjemne pare je enak tlaku pare v kondenzatorju:hP = ′′hK ⇒ χ = 1; σ = 0

Odjemna para ne ogreje kondenzata, zato je prihranek dovedene toplote enak ni~.

– Tlak odjemne pare je enak tlaku sveè pare, sveà para te~e mimo turbine vregenerativni grelnik:hP = hSP ⇒ χ = 0; σ = 0

Kljub zmanjanju entalpijske razlike se pri dovodu toplote zaradi regene-rativnega gretja kondenzata masni tok sveè pare pove~a toliko, da je prihranekzopet enak ni~. Tako regenerativno gretje torej ni upravi~eno. Tlak turbinskegaodjema z najvijimi parametri odjemne pare je navadno izbran tako, da je napa-jalna voda pred vstopom v kotel e nekoliko podhlajena, zato zgornjemu pogojutudi iz prakti~nih razlogov ni mogo~e zadostiti (podro~je nasi~enja na sliki 3.40.).

Med mejnima primeroma obstaja torej neki entalpijski razmernik odjemne pare0 < χopt < 1, tako da velja: σmax = σ(χopt), slika 3.40.

Pove~anje entalpije pri regeneraciji (hK – h'K) je navadno preveliko, da bi jo lahkoizvedli z enim samim prenosnikom toplote. Prakti~no se napajalna voda segreje veni stopnji le redko za (TK– ′ ≥TK ) 50 K, kajti ve~ja temperaturna razlika povzro~aprevelike napetosti v ceveh prenosnikov toplote. îm ve~je so temperaturnerazlike, ve~je so tudi eksergijske izgube toplote. To sta glavna vzroka, da jeregenerativno gretje napajalne vode izvedeno v ve~ stopnjah.

Podobno kot pri enostopenjskem regenerativnem gretju napajalne vode lahkoizra~unamo prihranek dovedenega toplotnega toka σ tudi pri ve~stopenjski regene-raciji. Primer dvostopenjske regeneracije je narisan na sliki 3.41. Vzemimo, daobratuje samo grelnik G2. Prihranek σ je dolo~en z ena~bo (3.37), na sliki 3.42 jele-ta prihranek ozna~en s to~ko N2. ê obratuje samo grelnik G1, dobimo to~koN1, obe izra~unani to~ki pa leìta na krivulji 1σ za enostopenjsko regenerativno


gretje. Druge to~ke na tej krivulji dobimo, ~e pri nespremenjeni ekspanzijski linijiparne turbine spremenimo parametre odjemne pare. To je izvedljivo le teoreti~no,npr., ~e na okrovu turbine izvrtamo novo odprtino z druga~nimi parametri odjemnepare. Z dovolj veliko koli~ino odjemne pare lahko torej samo z grelnikom G2doseèmo celotno pove~anje entalpije (hK– ′hK ), vendar to tehni~no ni upravi~eno.

Definirajmo e srednji specifi~ni prihranek, ki pove, za koliko se pove~a prihranekv proces dovedenega toplotnega toka pri pove~anju entalpije napajalne vode venem regenerativnem grelniku:

σσ

mK K

=− ′h h

(3.38)

Za grelnik G2 je podan srednji specifi~ni prihranek z naklonom daljice 0N2:σmG2 = tg αN2, slika 3.42. S slike je nadalje razvidno, da je srednji specifi~ni prihra-nek funkcija entalpijskega razmernika odjemne pare χ. ê se le-ta pove~uje, sepove~uje tudi srednji specifi~ni prihranek: to~ka N2 se po krivulji 1σ pomika protilevi. Od tod sledi, da ima prvi grelnik v nizu z najni`jimi parametri odjemne parenajve~ji srednji specifi~ni prihranek.

Pri dvostopenjskem regenerativnem gretju je skupno pove~anje entalpije napajalnevode razdeljeno med dva grelnika. Prvi grelnik G1 v nizu pove~a entalpijo napa-jalne vode za DhG1 pri srednjem specifi~nem prihranku σmG1, to~ka N1. V grelnikuG2 pa se pove~a entalpija napajalne vode za DhG2 pri srednjem specifi~nemprihranku σmG2.


Slika 3.40. Prihranek v proces dovedenega toplotnega toka in entalpijskirazmernik v odvisnosti od pove~anja entalpije pri regeneraciji v enem grelniku

ê potegnemo iz to~ke N1 vzporednico daljici 0N2 do to~ke N'2, ki ozna~ujeskupno pove~anja entalpije, ugotovimo, da je skupni prihranek odvisen od raz-delitve skupne entalpijske razlike (DhG1 + DhG2). Najugodnejo porazdelitev dolo~atangenta vzporednice daljici 0N2 na krivuljo 1σ , to~ka T.

Za dano turbino je to edina to~ka, ki jo lahko dolo~imo pri obratovanju z dvemagrelnikoma za celotno pove~anje entalpije napajalne vode. Pri obratovanju v to~kiN1 je grelnik G2 namre~ izklopljen. Iz primera za dva regenerativna grelnika in izzgleda, ki sledi, lahko povzamemo naslednjo splono ugotovitev.

Za poljubno parno turbino s skupno n odjemi za regenerativno gretje napajalnevode obstaja pri obratovanju z i-timi zaporednimi grelniki (n – i + 1) diskretnihna~inov obratovanja, dolo~enih z ekspanzijsko krivuljo in parametri odjemne parena njej, ki leìjo na krivulji iσ. Druga stanja na krivulji iσ so dosegljiva s turbino, kiima enako ekspanzijsko krivuljo, toda druga~no porazdelitev odjemov. Tudi v temprimeru vidimo, da obstaja pri obratovanju vseh grelnikov samo en na~in obrato-vanja (n – n + 1 = 1).

Za celotni prihranek dovedenega toplotnega toka v dveh zaporednih regenerativnihgrelnikih pri celotnem dvigu entalpije napajalne vode lahko sedaj zapiemo, slika3.42:

2σcel = σmGI · ∆hGI + σmG2 · ∆hG2 (3.39)

pri ~emer dobimo pri optimalni umestitvi odjema na ekspanzijsko krivuljo (to~kaT) najve~ji prihranek.

Z opisanim postopkom lahko dolo~imo prihranek za dano turbino s poljubnomnogimi regenerativnimi grelniki, pri ~emer preide ena~ba (3.39) v:

nσcel = σm1 · ∆h1 + σm2 · ∆h2 + ... + σmn · ∆hn = σ mi ni

n

h∆=∑

1

(3.40)


Slika 3.41. Dvostopenjsko regenerativno gretje napajalne vode

Krivulje iσ za dano turbino se z nara~anjem tevila grelnikov i asimptoti~nopribliùjejo teoreti~nemu primeru z neskon~no mnogimi regenerativnimi grelniki,slika 3.43. V tem primeru preide ena~ba (3.40) v:

∞

− ′

=− ′

⋅ − ′∫σσ

celK K

K K

K K

dh h

h hh h

0

( ) (3.41)

Integral v ena~bi (3.41) vsebuje funkcijo σ = σ (hK – ′hK ), ena~ba (3.37), in je zareevanje zelo neprakti~en. Za potrebe analize ve~stopenjske regeneracije lahkofunkcijo σ = σ (hK – ′hK ) aproksimiramo s polinomom oblike:

σ (x) = an · xn + an–1 · xn–1 + ... + a1 · x (3.42)

kjer so x = hK – ′hK , a1,...,an pa koeficienti polinoma. Reitev integrala (3.41) lahkozapiemo v obliki polinoma:

∞ −

−

= ⋅ + ⋅−

+ + ⋅σ cel ( ) ...x ax

na

x

na xn

n

n

n

1

1

11(3.43)

ê ena~bo (3.43) odvajamo po spremenljivki x = hK – ′hK , dobimo srednji specifi~niprihranek za neskon~no mnogo regenerativnih grelnikov:

∞σm(x) = an · xn-1 + an–1 · xn–2 + ... + a1 (3.44)


Slika 3.42. Prihranek v proces dovedenega toplotnega toka pri dvostopenj-skem regenerativnem gretju napajalne vode

Pri izra~unu prihranka σ, ki pomeni prihranek goriva, postopamo v praksi takole:

– Iz dejanske ekspanzijske krivulje za parno turbino od~itamo odjemni tlak pP,tlaku pripadajo~o temperaturo TP in entalpijo hP odjemne pare;

– izra~unamo izstopno temperaturo napajalne vode TK s predpostavko, da jekondenzacijska temperatura odjemne pare za 5 K vija. Pri natan~nejih ra~unihje treba dodati e segrevanje napajalne vode na ra~un pregrete pare, pri ~emer sele-ta ohladi na temperaturo kondenzacije, preglednica 3.7;

– s tabelami za vodo in vodno paro dolo~imo entalpijo napajalne vode hK na izstopuiz prenosnika toplote, pri ~emer je ta entalpija funkcija temperature in tlaka~rpalke.

Zgled. Regenerativno gretje napajalne vode

Prikazan je izra~un za tiri pribli`no enake regenerativne grelnike napajalne vode,preglednica 3.8. Osnovni podatki so vzeti s slike 3.44 in iz tabel za vodo in vodnoparo. Tlak napajalne vode: pK = 1,22 · pSP = 110 bar.

Ker je temperatura napajalne vode na izstopu iz posameznega grelnika dolo~ena stemperaturo nasi~enja pare, ki vanj priteka, zmanjana za 5 K, lahko izekspanzijske krivulje za posamezne odjeme dolo~imo naslednje vrednosti:TK = T'P – 5, zvianje temperature napajalne vode (TK – ′TK ) in pove~anje entalpijenapajalne vode (hK – ′hK ), entalpijski razmernik odjemne pare χ, prihranek v procesdovedenega toplotnega toka σ in srednji specifi~ni prihranek σm, in sicer za primer,ko vsakokrat deluje samo en grelnik. Tako npr. izra~unamo temperaturo napajalnevode za grelnikom G4:


Slika 3.43. Prihranek v proces dovedenega toplotnega toka pri ve~stopenj-skem regenerativnem gretju napajalne vode

TK = TP – 5 = 224 – 5 = 219 °C

V grelniku N4 se torej dvigne temperatura napajalni vodi za:

TK – ′TK = 219 – 27 = 192 K

specifi~na entalpija pa za:

hK – ′hK = 942 – 112 = 830 kJ/kg

pri ~emer upotevamo da je hK = h (TK = 219 °C, pK = 110 bar).

Entalpijski razmernik odjemne pare za napajanje grelnika N4 je po ena~bi (3.31):

χ4 =h h

h hSP P

SP K

−− ′′

=−−

4 3538 3130

3438 2230= 0,255

Prihranek toplotnega toka, ena~ba (3.37):

σ4 = 1 –h h

h h

h h h h

h h h hSP K

SP K

P K K K

P K K K

−− ′

⋅− + − ′

− + ⋅ − ′( ) ( )

( ) ( )χ=


Slika 3.44. [tiristopenjsko regenerativno gretje napajalne vode

= 13438 942

3438 112

3130 942 942 112

3130 942−

−−

⋅− + −

− +( ) ( )

( ) 0 255 942 112, ( )⋅ −

· 100 = 5,61 %

in kon~no srednji specifi~ni prihranek, ena~ba (3.38):

σσ

m4K K

=− ′

=h h

5 61

830

,= 0,0068 %/(kJ/kg)

Vrednosti rezultatov za enostopenjsko gretje napajalne vode pri odjemih pare N1,N2, N3 in N4 so zbrani v preglednici 3.8.

Celotni prihranek toplotnega toka, kadar obratujejo vsi grelniki, nam pokaèena~ba (3.40):

4σcel = σm1 · ∆h1 + σm2 · ∆h2 + σm3 · ∆h3 + σm4 · ∆h4 =

= 0,0213 · (217 – 0) + 0,0155 · (421 – 217) + 0,0108 · (626 – 421) ++ 0,0068 · (830 – 626) = 11,37 %


Slika 3.45. Grafi~na konstrukcija za dolo~itev prihranka toplote

ê funkcijo za enostopenjsko regeneracijo aproksimiramo s polinomom ~etrtestopnje (npr. skozi izhodi~e in to~ke N1, N2, N3 in N4), lahko izra~unamo prihra-nek z neskon~no mnogimi regenerativnimi grelniki, ena~ba (3.43):

∞σcel = ax

ax

ax

a x4

4

3

3

2

2

14 3 2⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ =

= –7,883·10–12 ·830

4

4

+ 2,263·10–8 ·830

3

3

– 4,015·10–5 ·830

2

2

+

+ 2,90·10–2 ·830 = 13,61 %

Grafi~ni prikaz reevanja celotnega prihranka toplotnega toka je prikazan na sliki3.45. Prihranek pa nam prikazuje tudi slika 3.46; na ordinati je srednji specifi~niprihranek σm, na abscisi pove~anje entalpije napajalne vode ( )h hK K− ′ . Prihranek jeviden kot plo~ina, velja namre~: σ = σm · ( )h hK K− ′ . Pri enostopenjskem gretju bibil prihranek enak plo~ini pravokotnika pod ~rto AB, pri tiristopenjskem gretju jeprihranek enak plo~ini tirih pravokotnikov, pri neskon~nem tevilu stopenj paplo~ini pod krivuljo ∞σm. Najve~ji prihranek prinaa vedno prvi grelnik v nizu. Prinajugodneji razdelitvi postane krivulja premica. Ta krivulja pa postane premica le,~e vsak nadaljnji grelnik v vrsti segreva napajalno vodo za malo ve~ kot predhodni(ker se specifi~na toplota napajalne vode z nara~ajo~o temperaturo malospreminja).

Preglednica 3.9 prikazuje za vodo, vodno paro in nekatere druge delovne snovipriporo~ljive vrednosti za hitrosti v cevovodih, ki vodijo k prenosnikom toplote.

Pri na~rtovanju termoelektrarn je v rabi ve~ na~inov optimiranja regenerativnihgrelnikov napajalne vode, ker so merila, kaj je optimalno, odvisna od naro~nika.Mnogi izmed njih temeljijo na spreminjanju specifi~ne porabe goriva v kotlu na enistrani in specifi~ne porabe toplote na drugi. V nadaljevanju navajamo primer opti-mizacije na osnovi investicijskih in obratovalnih strokov z eksergijskega vidika.


Preglednica 3.8. Izra~unani podatki za tiri regenerativne grelnike napajalnevode pri enostopenjskem gretju po sliki 3.44

Podatek Enota N1 N2 N3 N4

T = TP – 5TK – T'KhK – h'KhP – hKhSP – hK

χσ

σm

KK

kJ/kgkJ/kgkJ/kg

–%

%/(kJ/kg)

7649217216631080,7824,61

0,0213

12598421

218729040,5946,53

0,0155

173146626219726990,4156,76

0,0108

219192830

218824950,2555,6

0,0068


Slika 3.46. Specifi~ni srednji prihranek toplotnega toka v odvisnosti od pove-~anja entalpije napajalne vode

Preglednica 3.9. Izkustvene vrednosti za hitrosti fluidov v cevovodih

Fluid v / (m/s)

Sveà in ponovno pregreta paraOdjemna para, nadtlak (manje hitrosti veljajo pri vijih tlakih)Odjemna para, podtlak

25–5025–6045–70

Napajalna voda, tla~na stranNapajalna voda, sesalna stran

(velja za vrelo vodo, sicer so hitrosti do 1,5 m/s)Hladilna voda, tla~na stranHladilna voda, sesalna stran

1,5–4,5

0,5–0,71,5–4,50,5–1,5

Komprimirani zrakNizkotla~ni komprimirani pliniOlje (glede na viskoznost)

10–1515–20

0,8–2,0

Za investicijske stroke Cf regenerativnega grelnika napajalne vode smemo predpo-staviti, da nara~ajo premo sorazmerno s povrino A, ki je potrebna za prenostoplote, slika 3.47:

C c A ck

Qf f fm

= ⋅ = ⋅⋅

⋅1

Θ& (3.45)

cf specifi~ni stalni (fiksni) stroki regenerativnega prenosnika toploteA povrina za prenos toplote v regenerativnem prenosniku toplotek toplotna prehodnostΘm srednja logaritmi~na temperaturna razlika v regenerativnem prenosniku toplote

Nadalje smemo predpostaviti, da nara~ajo obratovalni stroki Cv premo soraz-merno z zmanjevanjem elektri~ne mo~i postrojenja, ki nastane zaradi zmanj-evanja toka pare skozi del turbine. Zmanjevanje toka pare skozi turbino gre nara~un odjemne pare, ki je potrebna za gretje napajalne vode v regenerativnemgrelniku. Zmanjevanje elektri~ne mo~i pa je odvisno od eksergijskih izgub vprenosniku toplote: ~im ve~je so temperaturne razlike med odjemno paro in napa-jalno vodo, ve~ja je eksergijska izguba v prenosniku toplote in ve~je je zmanjanjeelektri~ne energije. Sorazmernostna faktorja sta e ~as obratovanja parnega postro-jenja in eksergijski izkoristek parne turbine ter generatorja, ki je prakti~no enakenergijskemu izkoristku:

C c t Ev v= ⋅ ⋅ ⋅ζ ∆ & (3.46)

cv specifi~ni obratovalni (variabilni) stroki proizvodnje elektri~ne energije vpredvideni trajnostni dobi termoelektrarne

t letno tevilo ur obratovanja termoelektrarneζ eksergijski izkoristek parne turbine in generatorja

Eksergija toplotnega toka pare:

& &ET

TQP

Pm

= −

⋅1 0 (3.47)

Eksergija toplotne toka napajalne vode:

& &ET

TQK

Km

= −

⋅1 0 (3.48)

Zmanjanje (izguba) eksergije v prenosniku toplote je enako razliki obeh ekser-gijskih tokov:


∆ & & & &E E E TT T

Q= − = ⋅ −

⋅P K O

Km Pm

1 1=

= TT T

QOKm Km m

⋅ −+

⋅

1 1

Θ& (3.49)

Iz ena~be je razvidno, da imamo v splonem vedno izgubo eksergije toplotnegatoka. Ta izguba je ni~, ~e velja: TKm = TPm, na primer: uparjalnik z neskon~noveliko povrino.

Skupni stroki regenerativnega grelnika napajalne vode:

C C C c A c t E= + = ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅f v f v ζ ∆ & =

= ck

Q c t TT T

Qfm

v OKm Km m

⋅⋅

⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ −+

⋅

1 1 1

Θζ

Θ& & (3.50)

Vrednost ena~be za skupne stroke je najmanja, ~e je izpolnjen pogoj:

∂∂

C

Θ m

= 0 (3.51)

∂∂

∂∂

C C

Θ Θm m

> 0 (3.52)

pri tem mora biti znana ena od obeh temperatur TKm ali TPm. V splonem to èzaradi same definicije za srednjo logaritmi~no temperaturno razliko Θm ni mogo~e,v ve~ini prakti~nih primerov pa je mogo~e srednjo temperaturo napajalne vode TKm


Slika 3.47. Temperaturne razmere v protito~nem prenosniku toplote

ali srednjo temperaturo pare TPm dobro oceniti. Na primer: pri kondenzatorju je TPm

konstantna vrednost, pri regenerativnem grelniku para/napajalna voda je dvigtemperature na strani napajalne vode zelo majhen (velja samo za termoelektrarne,ne pa splono). îm sta TKm ali TPm znana, lahko izra~unamo logaritmi~no srednjotemperaturno razliko, ki je definirana:

ΘΘ Θ

ΘΘ

m1 2

1

2

ln

=−

(3.53)

Pod pogojem, da je TKm poznana, velja:

d

d mf

mopt2 v

Km mopt

Cc

kc t T

TΘ Θζ

Θ= − ⋅

⋅+ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

+=

1 100 2( )

(3.54)

Po preureditvi dobimo:

T T c

ct k TPm

mopt

Km mopt

mopt

v

fΘ

Θ

Θζ=

+= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 0 (3.55)

Pod pogojem, da je TPm poznana, velja:

T c

ct k TKm

mopt

v

fΘζ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 0 (3.56)

Optimalna logaritemska temperaturna razlika Θmopt je odvisna:

– od specifi~nih stalnih strokov za regenerativni grelnik cf

– od specifi~nih obratovalnih strokov proizvodnje elektrike cv

– od letnega obratovalnega ~asa elektrarne t– od toplotne prehodnosti prenosnika toplote k– od eksergijskega izkoristka parne turbine in generatorja ζ in– od temperature okolice T0

Zanimivo je, da je izraz pod korenom neodvisen od preto~nih koli~in in tudineodvisen od delovne snovi. Najve~ji vpliv ima razmerje cv/cf, ki ga je tudi najte`jeto~no dolo~iti.

Zgled. Izra~un optimalne temperaturne razlike v regenerativnem grelnikunapajalne vode

Za na~rtovani regenerativni grelnik so znani naslednji podatki:

TPm = 600 K T0 = 300 K

t = 6500 h ζ = 0,86

cv = 0,036 EUR/kW h k = 3,0 kW/(m2·K)

cf = 180 EUR/m2


C

Q

C

Q

C

Q& & &

= +f v =

= ck

c t TT Tf

m2 v

Pm m Pm

⋅⋅

+ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅−

−

1 1 10Θ

ζΘ

C

Q&, ' ,=

⋅+ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

−−

180

3 00 036 6 500 0 86 300

1

600

1

600, Θ Θm m

Vrednosti za Cf/ &Q in za Cv/ &Q so naneene na diagram, slika 3.48. Optimalna srednjatemperaturna razlika med paro in napajalno vodo je Θmopt = 18,9 K.

3.3.7 Razplinjanje napajalne vode

Razplinjanje je postopek, s katerim doseèmo, da se iz napajalne vode izlo~ijoplini. Razli~ni plini so v vodi razli~no topljivi, topljivost je odvisna od njihovegaparcialnega tlaka. Za parna postrojenja je predvsem va`no, da se iz napajalne vodeizlo~ijo plini, ki bi sicer povzro~ali korozijo na razli~nih delih toplotnegapostrojenja; tak plin je kisik O2, v manji meri tudi ogljikov dvokis CO2. Pline jemogo~e iz vode izlo~iti s termi~nim in kemi~nim postopkom, najve~krat pa skombinacijo obeh.

Pri termi~nem razplinjanju je voda segreta do vreli~a, topljivost plinov v teko~iniz nara~ajo~o temperaturo pada in je pri vreli~u enaka ni~, slika 3.49. Pri prehodu


Slika 3.48. Optimiranje regenerativnega grelnika napajalne vode

snovi so prenosni pojavi podobni kot pri prehodu toplote. Opisati jih je mogo~e spodobno zgrajenimi ena~bami.

Prehod toplote:

&Q = α · A · DT (3.57)

Prehod i-tega plina:

&m i = β · A · Dpi (3.58)

Masni tok plina i bo ve~ji, ~e je prehodna povrina velika (vrelo vodo je trebarazpriti v ~im drobneje kapljice!) in ~e je razlika parcialnega tlaka za i-ti plin, kije raztopljen v vodi, in parcialnega tlaka tega plina zunaj vode ~im ve~ja; β(α) paje snovna (toplotna) prestopnost in je za dano izvedbo razplinjevalnika konstantnavrednost.

Pri kemi~nem razplinjanju se kisik odstranjuje iz vode s kemi~no reakcijo. Zaodstranjevanje kisika iz vode se uporablja hidracin N2H4, ki reagira po ena~bi:

N2H4 + O2 → 2·H2O + N2 (3.59)

Prekomerno dodani hidracin se pri visokih temperaturah v kotlu ali uparjalnikupare razkroji:

3·N2H4 → 4·NH3 + N2 (3.60)

Izlo~eni amoniak NH3 deluje kodljivo; med drugim povzro~a, da se za~ne izlo~atibaker iz medi, cevi postanejo po videzu gobaste.


Slika 3.49. Topljivost kisika v destilirani vodi v odvisnosti od temperature intlaka

Pri ve~jih termoelektrarnah se hidracin dodaja pari na za~etku nizkotla~nega delaturbine, kajti zrak prihaja v kro`ni proces v obmo~ju podtlaka. Na vodni strani sehidracin dodaja za kondenzatno ~rpalko. Tako so vsi regenerativni grelniki napa-jalne vode za~iteni pred delovanjem kisika tudi z vodne strani.

Hidracin se z uspehom uporablja, ~e termoelektrarna zaradi okvare, popravila alivzdrèvanja stoji. V tem primeru se postrojenje na vodni strani popolnoma napolnis kondenzatom (napajalno vodo), ki mu je dodan hidracin. Tako je prepre~enakorozija zaradi kisika.

Primer izvedbe razplinjevalnika za termi~no razplinjanje prikazuje slika 3.50. Raz-plinjevalnik je navadno konstrukcijsko povezan z rezervoarjem napajalne vode,slika 3.51, in tvori z njim celoto, ~eprav sta to dve razli~ni napravi in imata vpostrojenju tudi popolnoma razli~ni nalogi. Mesto razplinjevalnika in rezervoarjanapajalne vode v parnem kro`nem procesu prikazuje slika 3.52.

V parnem kro`nem procesu voda vre v kondenzatorju (tlak ≈0,05 bar), v rezer-voarju napajalne vode (tlak ≈10 bar) in bobnu parnega kotla (tlak ≈200 bar). êpostrojenje nima rezervoarja napajalne vode, potem imamo glavno termi~norazplinjanje v kondenzatorju. V tem primeru mora biti dno kondenzatorja tako


Slika 3.50. Razplinjevalnik; A – vstop napajalne vode, B – razprilna glava,C – kaskade iz plo~evine, ^ – odvod izlo~enih plinov, D – vstop odjemne pare,E – rezervoar napajalne vode

izoblikovano, da shranjena napajalna voda zadostuje vsaj za triminutno polnoobratovanje termoelektrarne. V vodi raztopljeni plini imajo tako dovolj ~asa, da sedvignejo na povrino in izlo~ijo.

Pri velikih termoelektrarnah je mogo~e dose~i po razplinjanju v kondenzatorjuostanek koli~ine plinov (10–20) ·10–6 g/kg vode. Te koli~ine veljajo za imenskoobremenitev postrojenja pod pogojem, da se v kro`nem procesu nadome~a najve~5 % napajalne vode. Za razplinjevalnikom pa je mogo~e dose~i ostanek vsebnostiplinov do 5 · 10–6 g/kg vode. Tudi ta koli~ina velja za imensko obremenitev postro-jenja, pri tem pa sme biti vsebnost plinov pred razplinjevalnikom najve~ 500 · 10–6

g/kg. V industrijskih termoelektrarnah so te vrednosti precej ve~je.

Rezervoar napajalne vode z razplinjevalnikom je dobrodoel, ker imamo takostalno rezervo vode in to~no razmejitev delovanja ~rpalke za kondenzat in napa-jalne ~rpalke za kotel. Napajalna voda, ki priteka od ~rpalke za kondenzat, te~e vvrhnji del razplinjevalnika, kjer se razpri. S spodnje strani priteka odjemna para izturbine, ki v protitoku ogreva razprene, padajo~e kapljice. Napajalna voda se pri


Slika 3.51. Razplinjevalnik in rezervoar napajalne vode, A – kondenzat izzadnjega nizkotla~nega grelnika, B – napajalna ~rplaka v prvi visokotla~nigrelnik, C – odjemna para iz turbine, ^ – odjemna (visokotla~na) para pridelnih obremenitvah, D – zagonska para iz pomo`nega kotla, E – kondenzat izvisokotla~nega dela postrojenja, F – odvod izlo~enih plinov, G – regulacijagladine napajalne vode

tem ogreva, isto~asno se iz razprene vode izlo~ajo plini. Gre torej za kombiniraniprehod toplote in snovi.

Tlak v razplinjevalniku je enak tlaku odjemne pare. Odjemni tlak pri delnih obre-menitvah pada, zato pada tudi tlak v rezervoarju napajalne vode, dokler pri tlaku≈1,2 bar ne nastane avtomati~ni preklop na odjemno paro vijega tlaka. Prielektrarnah na fosilna goriva se za to najve~krat uporablja para iz visokotla~negadela turbine, ki se vra~a v kotel na ponovno pregrevanje, pri jedrskih elektrarnah pasveà para iz reaktorja.

Pri zagonu postrojenja se napajalna voda v rezervoarju greje z uporabo posebnegarazvejenega parovoda, skozi katerega te~e grelna para iz nekega pomo`nega viratoplote. S tem toplotnim virom se segreva hladna napajalna voda, dokler tlak vrezervoarju ne doseè ≈1,2 bar, kar ustreza temperaturi nasi~enja 105 °C. S tem jezagotovljeno, da je napajalna voda vedno pod nadtlakom in v vrelem stanju, tako


Slika 3.52. Razplinjevalnik in rezervoar napajalne vode v klasi~ni (zgoraj) in vjedrski termoelektrarni (spodaj)

da ne more vsrkavati plinov iz okolice in da je topljivost plinov zelo majhna. Vrezervoar napajalne vode vodijo nadalje razna odvodnjavanja iz visokotla~negadela postrojenja.

Gladina v rezervoarju napajalne vode se vzdrùje avtomati~no. ê za~ne padati, seodpre povezava med rezervoarjem dodajne vode in kondenzatorjem. Zaradi tla~nerazlike (tlak okolice/vakuum v kondenzatorju) doteka voda, ki ima temperaturookolice, sama od sebe v kondenzator in od tam naprej v rezervoar napajalne vode.ê pa za~ne gladina v rezervoarju napajalne vode nara~ati, se odpre povezava zrezervoarjem napajalne vode in rezervoarjem dodajne vode. Zaradi tla~ne razlikeodteka vrela voda iz rezervoarja napajalne vode v rezervoar dodajne vode.

Pri termoelektrarnah do pribli`no 300 MW mora napajalna voda v rezervoarjuzadostovati za vsaj 10-minutno obratovanje pri izpadu najve~je mo~i. Zadrèvalni~as je odvisen od vrste kotla in od kurjave: dalji ~as (ve~ja prostornina rezervoarjanapajalne vode) je potreben pri parnih kotlih s prisilnim pretokom (kotli brezbobna!) in pri kurjavi na trda goriva. Pri zelo velikih termoelektrarnah je zadrè-valni ~as zaradi velikih dimenzij rezervoarja napajalne vode kraji (vendar morazadostovati vsaj za triminutno polno obratovanje). Pri jedrskih elektrarnah zvrelnim reaktorjem je rezervoar napajalne vode opremljen s posebnimi pregradami,zato da se vsa radioaktivna voda zadrùje vsaj pribli`no enako dolgo.

3.3.8 Priprava napajalne vode

Voda mora biti v kro`nem procesu kemi~no pripravljena in o~i~ena, saj sicerpovzro~a korozijo in erozijo na ob~utljivejih delih postrojenja. Taki deli so pred-vsem kotlovske cevi, pa tudi cevi v kondenzatorju in regenerativnih prenosnikihtoplote, turbinske lopatice, sedeì razli~nih regulacijskih in zapornih organov itd.Pri kemi~ni pripravi vode je treba dolo~iti trdoto, pH-vrednost, alkalnost in vseb-nost soli.

Trdoto vode povzro~ajo v vodi raztopljene snovi kalcija in magnezija. Najdemo jihv spojinah, kot so: bikarbonati Ca(HCO3)2 in Mg(HCO3)2, sulfati CaSO4 in MgSO4,kloridi CaCl2 in MgCl2, nitrati Ca(NO3)2 in Mg(NO3)2.

pH-vrednost pove, kakna je voda: kisla, nevtralna ali lu`nata. ê je koncentracijaionov H+ v vodi enaka koncentraciji ionov OH–, potem je voda nevtralna. êprevladujejo ioni H+, je voda kisla in nasprotno. Velja:

pH < 7 kisla voda

pH = pOH = 7 nevtralna voda

pH > 7 lu`nata voda

pH-vrednost je odvisna od temperature, za kemi~no ~isto vodo je podana vpreglednici 3.10. îsta voda ima veliko elektri~no upornost, medtem ko kisline,lugi in soli povzro~ajo ionizacijo vode, le-ta postane elektri~no prevodna.


Preglednica 3.10. pH-vrednost za ~isto vodo

T / (°C) 0 23 50 100 200 300

pH 7,49 7,00 6,63 6,13 5,69 5,59

Pod alkalnostjo se razume v vodi raztopljena koli~ina sode Na2CO3, kalijevegakarbonata K2CO3, natrijevega in kalijevega luga NaOH in KOH, amoniaka NH3,hidracina N2H4, bikarbonatov, kot so NaHCO3, Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2 itd.

Vsebnost soli. Napajalna voda za kotel ne sme prekora~iti predpisanih vrednosti zaprevodnost, pH-vrednost, koli~ino kremenove kisline itd., zato jo je treba navadnopred vstopom v kotel razsoliti, sicer se peni.

Ne~isto~e v vodi so razdeljene na tri ve~je skupine po premeru trdnih delcev.Razdelitev prikazuje preglednica 3.11.

î~enje vode je odvisno predvsem od velikosti delcev, ki so dispergirani v vodi. Vnadaljevanju nekaj va`nejih postopkov.

Bistrenje (sedimentacija). S tem postopkom se iz vode izlo~ijo ve~ji in te`ji delci,ki lebdijo v vodi. Bistrenje se opravi v vsedovalnem bazenu v 2 do 24 urah.

Filtriranje. S filtriranjem skozi prod je mogo~e iz vode odstraniti grobe dispergi-rane snovi.

Preglednica 3.11. Ne~isto~e v vodi

Trdni delci v vodiPremer delcev

D / mmNa~in ~i~enje

Grobo dispergirani delci > 10–4 Filtriranje

Koloidno dispergirani delci 10–4–10–7 Adsorpcija

Molekularno dispergirani delci < 10–7 Uparjanje, ionska izmenjava

Nevtralizacija ogljikove kisline. Agresivno ogljikovo kislino je mogo~e iz vodeodstraniti na ve~ na~inov. Najva`neji so:

– filtriranje skozi prod

CO2 + CaCO3 + H2O → Ca(HCO3)2 (3.61)

– nevtralizacija z apnom

2 CO2 + Ca(OH)2 → Ca(HCO3)2 (3.62)

– nevtralizacija s sodo

CO2 + Na2CO3 + H2O → 2 NaHCO3 (3.63)

– nevtralizacija z lugom

CO2 + NaOH → NaHCO3 (3.64)

Odstranjevanje èleza in mangana. @elezo in mangan je mogo~e iz vode odstranitiz bikarbonati Fe(HCO3)2 in Mn(HCO3)2 ali s sulfati FeSO4 in MnSO4. Na koncu


kemi~ne reakcije dobimo netopne èlezove in manganove okside, ki jih izlo~imo sfiltriranjem skozi prod.

Meh~anje vode (dekarbonizacija). Odstranjevanje ogljikove kisline iz vode inmeh~anje vode zaradi razli~nih bikarbonatov in sulfatov se danes opravi ve~inomaz ionskimi izmenjevalci. To so posebne umetne smole, pri katerih se v njihnakopi~eni ioni lahko zamenjajo z ioni, ki so v vodi. Kationski izmenjevalcivsebujejo kislinsko skupino, anionski pa lu`nato. Izmenjava kationov in anionov seopravi v posebnih filtrih, ki jih je po izrabi mogo~e regenerirati, to se pravi poposebnem postopku ponovno usposobiti za delovanje.

Zgled. Meh~anje vode v nevtralnem ionskem izmenjevalcu (Na-izmenjava)

Za to je primeren mo~no kisel kationski izmenjevalec, ki je nabit z Na-ioni. Zame-njajo se vsi Ca-(in Mg-) ioni, ki so v vodi, in se nadomestijo z Na-ioni. Vsebnostsoli v vodi se pri tem ne spremeni. V kemi~nih ena~bah pomeni oznaka A za snov,ki se menja:

Ca(HCO3)2 + ANa2 → 2 NaHCO3 + ACa

CaSO4 + ANa2 → Na2SO4 + ACa

CaCl2 + ANa2 → 2 NaCl + ACa

Pri regeneraciji je kemi~na reakcija nasprotna:

ACa + 2 NaCl → ANa2 + CaCl2

3.4 Klasi~na termoelektrarna in okolje

Klasi~ne termoelektrarne na fosilna goriva e desetletja ne bodo izgubile svoje po-membnosti. Razvoj gre v smeri vijih parametrov sveè pare in s tem predvsem vsmeri iskanja ustreznih materialov za kotlovske cevi, ki morajo biti odporne,zanesljive in cenene pri vijih temperaturah in tlakih, kot so dananji.

Razvoj parnih kotlov gre v smeri izpopolnjevanja zgorevanja v vrtin~astem sloju inv smeri povianega tlaka na strani dimnih plinov, pri tem pa ostaja parna turbinanepogreljiv pogonski stroj. Na vidiku ni boljih tehni~nih reitev.

Srednjero~ni razvojni cilj je poskusna termoelektrarna elektri~ne mo~i 400 MW na~rni premog, ki ima dvakratno ponovno pregrevanje pare in izkoristek > 50 %.Slika 3.53 prikazuje shemo take termoelektrarne z najva`nejimi tehni~nimi podat-ki: sveà para 700 °C / 350 bar, ponovno pregreta para 720 °C / 120 bar in 720 °C /30 bar.

Cilj vseh teh tehni~nih naporov pa ni samo bolje izkori~anje primarne energije,ampak tudi manja obremenitev okolja.


V splonem dobimo pri ve~ini tehni~nih procesov po kon~anem postopku koristnein odpadne proizvode. V klasi~ni termoelektrarni na fosilna goriva je koristniproizvod elektri~na energija, odpadni pa so predvsem dimni plini, pepel in toplavoda iz kondenzatorja. Zato je ena od va`nih nalog strokovnjakov, da skuajovedno poiskati neki drug tehni~ni postopek, kjer bi bilo mogo~e odpadne proizvodekoristno porabiti, na primer: odpadna toplota se v~asih lahko koristno uporabi zaogrevanje, `veplov dvokis iz dimnih plinov kot surovina za umetno gnojilo, pepelkot gradbeni material itd. Vodilo je torej:

– po mo`nosti se popolnoma izogniti odpadnim proizvodom, ~e to ne gre, pa vsajnastale odpadne proizvode koristno uporabiti;

– v skrajnem primeru odpadne proizvode pravilno odstraniti in nekodljivo shranititer

– vse stroke v zvezi z odpadnimi proizvodi zara~unati povzro~iteljem.

114 KLASI^NA TERMOELEKTRARNA IN OKOLJE

Slika 3.53. Zasnova sodobne termoelektrarne v razvoju

Seveda pa lahko tudi termoelektrarna koristno porabi odpadne proizvode iz drugihtehni~nih procesov. Slovenska lesna industrija na primer pogosto izkori~a lesneostanke, àganje, lubje kot gorivo v kotlih.

Masna in energijska bilanca klasi~ne termoelektrarne na fosilna goriva po sliki3.54:

&mGo + &mZ + &mV = &mD + &mP + &mV (3.65)

&mGo · Hi + &mZ · hz + &mV · cpV · TV1 =

= &mD · hD + &mP · hP + &Q1 + &mV · cpV · TV2 + P (3.66)

Iz obeh bilanc ugotovimo, da odteka v okolico:

– masni tok ogrete hladilne vode &mV, masni tok dimnih plinov &mD in masni tokpepela &mP;

– toplotni tok iz kondenzatorja ( &Qod = &mv · cpV · ∆Tv), toplotni tok zaradi razli~nih iz-

gub &Q1 , toplotni tok dimnih plinov ( &mD · hD) in toplotni tok pepela ( &mP · hP).

S hladilno vodo odteka v okolje toplotni tok, ki je bistveno ve~ji od proizvedeneelektri~ne mo~i, vendar ta toplotni tok okolice ne obremenjuje in ne povzro~atvorjenja tople grede. Za okolje je najbolj nevaren masni tok dimnih plinov, kivsebuje za okolje kodljive pline: CO2, SO2, NOX. Pri slovenskih premogih je koli-~ina nezgorljivih snovi nadpovpre~no visoka in je do 40 %, kar draì proizvodnjo,zahteva ve~ prostora za skladi~enje premogov in ve~ja odlagali~a pepela.

Ogljikov dvokis je v najve~ji meri odgovoren za spremembe klime na zemlji,njegova koli~ina v zemeljski atmosferi v zadnjih desetletjih pospeeno nara~a(leto 1800: 280 µg/g, 1950: 320 µg/g, 2003: >350 µg/g). To nara~anje koli~ineogljikovega dvokisa povzro~a zgorevanje fosilnih goriv, predvsem v industrijskihtehnolokih procesih in v velikih termoelektrarnah ter so~asno kr~enje gozdov nazemlji. Ogljikov dvokis pospeuje absorpcijo dolgovalovnega son~nega sevanja


Slika 3.54. Masni in energijski tokovi pri klasi~ni termoelektrarni

(7 µm < λ < 13 µm). Zaradi absorpcije se ogljikov dvokis segreje, del elektro-magnetnega sevanje se odbija v vesolje, del te toplote pa gre na zemljo.Mehanizem delovanja je torej podoben kot pri topli gredi. Krivci za delovanje toplegrede so poleg ogljikovega dvokisa e CFCl3, CF2Cl2, CH4, N2O in prerazporejanjeozona O3 na severni polobli: zmanjevanje koli~ine v stratosferi in pove~evanje vtroposferi. ê se bo emisija CO2 nadaljevala v takem obsegu e naprej, se bozemeljska atmosfera do sredine stoletja segrela za (3 ± 1,5) K, trdijo nekateri znan-stveniki. Pri zgorevanju fosilnih goriv: ~rni premog, rjavi premog, nafta, zemeljskiplin, se na enoto proizvedene energije spro~ajo koli~ine CO2 v razmerju 100 : 121: 88 : 58. Slovenija je v tem pogledu v slabem poloàju, saj vse velike termoelek-trarne kurijo rjave premoge. Emisijo CO2 je mogo~e zmanjevati na naslednjena~ine:

– smotrneje pretvarjati primarne energije v sekundarno– postopno nadome~ati premoge z zemeljskim plinom– pospeeno izkori~ati obnovljive energetske vire in– pospeeno graditi jedrske elektrarne.

@veplov dvokis povzro~a motnje pri dihalih. Z atmosfersko vodo se veè v`vepleno kislino in pada na zemljo kot kisli de`. Zaradi takih padavin pospeenoodmirajo ob~utljiveje rastline.

[kodljivo delujejo na rastline tudi duikovi oksidi (NO2, NO itd.), ki nastajajo prizgorevanju zaradi disociacije plinov pri visokih temperaturah, njihovo delovanje eni to~no pojasnjeno.

Koli~ina teh kodljivih plinov v dimnih plinih se lahko zmanja z boljim na~inomzgorevanja, na primer v lebde~i plasti, e bolj u~inkovito pa se zmanja v posebnih~istilnih napravah. SO2 se pri tem veè v nekodljive spojine, na primer v sadro, alipa v uporabne spojine, na primer v `vepleno kislino, v umetna gnojila itd. Znanihje ve~ deset razli~nih postopkov ~i~enja, vsi so dragi, posebno za manje termo-elektrarne. îstilne naprave za NOX so ele v povojih, duikove okside adsorbiraporozen kerami~ni material, ki ga treba po dolo~enem ~asu nadomestiti z novim.

116 KLASI^NA TERMOELEKTRARNA IN OKOLJE

4JEDRSKE ELEKTRARNE

Poglavje obravnava osnove jedrskih reaktorjev, ki so pomembne za razumevanjedelovanja jedrskih elektrarn s parnim kro`nim procesom, varnost obratovanja tervpliv elektrarne na okolje. Prikazuje glavne razlike med klasi~nimi elektrarnami nafosilna goriva in elektrarnami na jedrska, s poudarkom na jedrski elektrani vKrkem.

4.1 Zna~ilnosti

Leta 1896 je Antoine-Henri Becquerel odkril radioaktivnost, leta 1938 sta OttoHahn in Friedrich Strassmann dokazala cepitev urana, leta 1942 je Enrico Fermidokazal samodejno cepitev urana – veri`no reakcijo, leta 1951 je stekla proiz-vodnja elektri~ne energije iz majhnega reaktorja v pu~avi Idaho, ZDA, in kon~noleta 1954 proizvodnja elektri~ne energije v miroljubne namene v kraju Obninsk,Rusija (postrojenje je 100 km jugozahodno od Moskve in je na prelomu tiso~letjae obratovalo). Ob koncu leta 2001 so jedrske elektrarne proizvedle pribli`no 17 %vse elektri~ne energije na svetu, v obratovanju je bilo 438 jedrskih elektrarn v 32dràvah. Kot prikazuje slika 4.1, se kljub pogostemu nasprotovanju javnostigradnja jedrskih elektrarn nadaljuje, ~eprav po~asneje.

Jedrske elektrarne imajo dolgo trajnostno dobo, gospodarne so ele velike enoteokrog 1000 MW in ve~, ~eprav skuajo strokovnjaki za posebne namene napravitigospodarne tudi manje enote. Namesto parnega kotla imajo jedrske elektrarnereaktor, medtem ko se drugi deli elektrarne bistveno ne razlikujejo od klasi~nihparnih elektrarn na fosilna goriva. Postavitev jedrske elektrarne zahteva za vgrajenikilowat elektri~ne mo~i zelo velika investicijska sredstva, e ve~ja kot pri klasi~nihelektrarnah, obratovalna pa manja. Ve~ o tem je v poglavju o gospodarnostielektrarn. Ve~krat je pri starejih enotah gospodarno nadomestiti obstoje~o parnoturbino s sodobnejo, ki obratuje z boljim notranjim izkoristkom, in tako pove~ati

elektri~no mo~ elektrarne za 3 % do 4 %. Tudi jedrska elektrarna v Krkem bo leta2006 posodobljena na tak na~in.

Velika ve~ina jedrskih elektrarn na svetu ima tla~novodni reaktor in ni`jeparametre (temperatura in tlak) sveè pare kot klasi~ne elektrarne, zato je tudidejanski izkoristek nekoliko manji kot pri klasi~nih elektrarnah. Sem spada tudijedrska elektrarna v Krkem, ki jo prikazuje slika 4.2.

4.2 Delovanje jedrskih reaktorjev

Vsak atom je sestavljen iz elektri~no pozitivno nabitega jedra in negativno nabitihelektronov, ki se gibljejo okrog jedra po energijsko razvr~enih lupinah. Skoraj vsamasa atoma je v jedru, ki ga sestavljajo nukleoni: pozitivno nabiti protoni inelektri~no nevtralni nevtroni. Skupno tevilo nukleonov daje masno teviloelementa A. Na primer: uranov atom 238U ima v sistemu elementov zaporednotevilo 92 in masno tevilo A = 238; sestavlja ga 92 protonov in 146 nevtronov, toje: 92 + 146 = 238 nukleonov.

Energijo, ki jo je potrebno dovesti, da se jedro atoma razbije na nukleone,imenujejo vezalna energija; ta je v povpre~ju 8 MeV za vsak nukleon, pri temvelja: 1 J = 1 C · 1 V in osnovni elektri~ni naboj 1,6019 · 10–13 C (coulomb). Od todizhaja, da je: 1 MeV = 1,6019 · 10–13 J. Omenjena vezalna energija se, kot prikazujeslika 4.3, od elementa do elementa precej razlikuje. Pri zelo lahkih atomih je taenergija z nekaterimi izjemami majhna, doseè svojo najve~jo vrednost pri masnihtevilih A = 50–100, potem se za~ne zopet zmanjevati. Jedra atomov so

118 DELOVANJE JEDRSKIH REAKTORJEV

Slika 4.1. Nara~anje instalirane elektri~ne mo~i jedrskih elektrarn v svetu

4 JEDRSKE ELEKTRARNE 119

Slika 4.2. Jedrska elektrarna s tla~novodnim reaktorjem; A – reaktorsko po-slopje, B – termi~ni reaktor, C – ~rpalka za reaktorsko hladilno snov, ^ – upa-rjalnik, D – regulator tlaka, E – bazen za vmesno shranjevanje gorivnihelementov, F turbinsko poslopje, G – srednjetla~ni del turbine, H – nizkotla~nideli turbine, I – generator

stabilneja, ~im ve~ja je ta vezalna energija. Glede na vezalno energijo obstojatadve mo`nosti pridobivanja jedrske energije:

– spajanje jeder najla`jih elementov v jedra z ve~jo atomsko maso (jedrska fuzija)in

– cepljenje jeder najte`jih elementov v jedra z manjo atomsko maso (jedrska fizija,doslej edina mo`nost pridobivanja jedrske energije).

V enem in drugem primeru se je skupna masa po kon~ani jedrski reakciji zmanj-ala; del mase se je spremenil v energijo po Einsteinovi ena~bi:

W m c= ⋅ S2 (4.01)

Ena~ba je splono veljavna, zmanjevanje energije na ra~un mase je pri vsehkemi~nih reakcijah, tudi pri zgorevanju v parnem kotlu. Vendar pa je pri temzmanjanje mase neznatno, saj so spremembe energije majhne, konstanta cS

2 pazelo velika.

Pri vsakem elementu obstajajo izotopi elementa, ki so bolj ali manj stabilni. Izotopiso elementi z enakim zaporednim tevilom (enakim nabojem jedra), toda zrazli~nimi masnimi tevili A, kemi~no so popolnoma enaki, razlikujejo pa se pofizikalnih lastnostih. Z ve~anjem atomske mase postaja razmerje med nevtroni inprotoni v jedru vedno ve~je, dokler se kon~no ravnote`je sil v jedru ne za~ne ruiti.Sile, ki veèjo delce jedra, niso ve~ dovolj mo~ne, da bi dràle v ravnote`juprotone. Zato so vsi elementi z masnim tevilom A > 200 nestabilni. Najbolj znaninaravni nestabilni element je radij, ki razpada po ena~bi:

226Ra → 222Ra + α + 2 · β + γ (4.02)


Slika 4.3. Srednja vezalna energija Em za nukleon v odvisnosti od masnegatevila A

α-àrki ali delci nastanejo pri razpadu te`kih jeder in so identi~ni z jedrom helija.Ta vrsta sevanja je slabo prodorna in ga ustavi è nekaj centimetrov zraka alipovrhnica koè, nevarno pa postane, ~e pride v organizem.

β-delci nastanejo pri razpadu la`jih jeder in so identi~ni z elektroni. Ta vrstasevanja ni posebno prodorna in ga ustavi tanka plast kovine ali nekaj centimetrovtkiva.

γ-delci so identi~ni svetlobnemu kvantu ali fotonu. To vrsto elektromagnetnegavalovanja sevajo nestabilna jedra. Nastaja skoraj pri vseh razpadih in je zeloprodorno, ustavi ga svinec, jeklo, beton, voda. Podobne lastnosti imajo x- ali rent-genski àrki.

Od razpada radija izhaja beseda radioaktivnost, ki je pri vseh elementih zzaporednim tevilom, ve~jim od 81; nestabilni izotopi pa se imenujejo radioizotopi.Umetno razpadanje ali cepitev atomskih jeder je mogo~e dose~i z obstreljevanjemle-teh z elementarnimi delci. Med temi delci so najprimerneji nevtroni, saj so brezelektri~nega naboja in zato laè prodrejo v atom. Zaradi manje stabilnosti so zaumetno cepitev primerneja jedra te`jih elementov. Najte`ji naravni element jeuran, ki ima 11 razli~nih izotopov. V naravi ga sestavljajo predvsem izotopi: 234U(0,006 %), 235U (0,714 %) in 238U (99,28 %). Pri tem se je izkazal za jedrsko cepi-tev kot najugodneji izotop 235U.

Cepitev jeder je najla`je ponazoriti z modelom kapljice, kot jo prikazuje slika 4.4.Z nevtronom n obstreljevano jedro izotopa 235U preide zaradi energije, ki jo jedovedel nevtron, v nihanje in dobi v za~etku elipsoidno obliko. Elektri~no pozi-tivno nabiti te`ki delci jedra (protoni) teìjo k temu, da se nabirajo v zunanjih delihelipsoida, zaradi tega se nihanje ja~a, elipsoid preide v sedlasto obliko in kon~norazpade na dva dela. Pri tem se iz najo`jega dela kot preseèk izlo~ita dva do trijeprosti nevtroni. Ti imajo v splonem zelo veliko kineti~no energijo in jo prenaajona sosednje atome. Zelo poenostavljeno napisano razpada izotop 235U po ena~bi:

1n + 235U → 236U → 90Sr + 143Xe + 3 · 1n (4.03)

Izotopi urana 236U, stroncija 90Sr in ksenona 143Xe so nestabilni in sami od seberazpadajo naprej. Napisana cepitev je le ena od 200 mo`nih, v razli~ne mo`necepitve je vpletenih 35 elementov. Na osnovi gornje ena~be je masna bilanca:

m(n) + m(235U) = m(90Sr) + m(143Xe) + 3 · m(n) + W/cS2 (4.04)


Slika 4.4. Prikaz cepitve jedra 235U z modelom kapljice

Od tod je mogo~e zaradi zmanjanja mase izra~unati ustrezno prosto energijo; ta jeW = 200 MeV/jedro. Od tega je mogo~e koristno porabiti na jedro pribli`no 191MeV = 3,06 ·10–11 J.

Pri cepitvi jeder se po Einsteinovi ena~bi spremeni del mase v energijo, in sicerpoenostavljeno ≈90 % v kineti~no energijo ter ≈10 % v sevalno. S tem da prostinevtroni prenaajo svojo kineti~no energijo na atome in molekule okoline snovi,se njihova hitrost zmanja, njihova kineti~na energija pa spremeni v toploto. Gledena kineti~no energijo se delijo prosti nevtroni v tri skupine:

– hitri nevtroni: WK > 105 eV– srednje hitri nevtroni: 1 < WK < 104 eV– po~asni nevtroni: WK < 0,1 eV

Po~asni nevtroni se imenujejo tudi termi~ni nevtroni, njihova hitrost gibanja jepribli`no enaka hitrosti gibanja molekul (po teoriji plinov).

Dejstvo, da pridobimo pri cepitvi jeder ve~ prostih nevtronov, kot jih potrebujemo,omogo~a pri primerni masi urana samodejno nadaljevanje jedrske reakcije. Vsiprosti nevtroni pa ne povzro~ajo nadaljnje cepitve jeder, tako imenovane veri`nereakcije, ampak se del nevtronov zgubi v okolici, del nevtronov pretvori uran 238Uv plutonij 239Pu, del nevtronov pa sproì razli~ne druge reakcije. Pogostost veri`nereakcije je odvisna od gostote nevtronov in od hitrosti, s katero se ti nevtronigibljejo. Nadalje je pomembno, da dobimo pri dolo~enih pogojih proste nevtroneele po nekem ~asovnem zaostanku. To dejstvo izkori~amo za regulacijojedrskega reaktorja. Elemente ali njihove izotope, ki so primerni za jedrsko cepitev,imenujemo – podobno kot klasi~na goriva pri klasi~nih elektrarnah – jedrskagoriva. Posebno dobre cepitvene lastnosti imajo izotopi z lihim masnim tevilom:233U, 235U, 239Pu.

Hitri nevtroni so primerni za cepitev izotopa 238U, vendar pa je verjetnost, da seizgubijo in ne zadenejo jedra, tako velika, da samodejna veri`na reakcija v 238U nimogo~a. V tem pogledu je precej bolji izotop 235U, vendar je v naravnem uranuvsebovan samo z 0,714 % in zaradi majhne koncentracije ne more bistveno vplivatina izboljanje poteka veri`ne reakcije pri izotopu 238U. Razmere se spremenijo, ~eje naravnemu uranu dodana koli~ina od 3 % do 4 % izotopa 235U. Tak uran imenu-jemo obogateni uran.

Hitri nevtroni se uporabljajo kontrolirano v tako imenovanih hitrih ali oplodnihreaktorjih in nekontrolirano v jedrskih bombah, vendar v tem primeru z izotopom239Pu kot cepitvenim elementom.

Po~asni nevtroni so primerni za cepitev izotopa 235U; pri tem nastane tudi vnaravnem uranu povpre~no ve~ nevtronov, kot se jih porablja. ê nam uspekineti~no energijo hitrih nevtronov spremeniti v toploto, ne da bi se pri tem nastranpoteh izgubilo preve~ nevtronov, lahko ti nevtroni vzdrùjejo veri`no reakcijotudi v naravnem uranu. To doseèmo s posebno snovjo, ki se imenuje moderator;njegova naloga je, da zaradi elasti~nih trkov zmanjuje hitrost nevtronov. Jedrski


reaktorji, ki delujejo prete`no s po~asnimi (termi~nimi) nevtroni, se imenujejotermi~ni reaktorji. V splonem je mogo~e v jedrskem reaktorju spreminjati koli~inonovih nevtronov. Velja:

k > 1 tevilo nevtronov se pove~uje, spro~ena energija nara~a, reaktor je nad-kriti~en

k = 1 tevilo nevtronov ostaja konstantno, reaktor je kriti~en, normalno delovanjereaktorja

k < 1 tevilo nevtronov se manja, jedrska reakcija zamira.

ê preide kineti~na energija nevtronov v toploto, je treba to toploto konstantnoodvajati in jo koristno uporabiti. Pogosto prevzame nalogo odvoda toplote voda, kise je izkazala kot zelo primerna hladilna snov. Hladilna voda in moderatorupo~asnjujeta hitrost nevtronov, zato imajo te vrste jedrski reaktorji lastnost, da severi`na reakcija pri vseh morebitnih nepravilnostih ustavi sama od sebe; poseg~loveka ali stroja ni potreben. ê namre~ nastane zaradi kakrnega koli vzrokapoviana temperatura, se veri`na reakcija zaradi zmanjanja tevila prostih nevtro-nov sama od sebe upo~asni in s ~asom popolnoma ustavi. To temeljno na~elo jeupotevano pri zasnovi vseh termi~nih reaktorjev, na àlost pa to ni bil primer prireaktorju v jedrski elektrarni êrnobil. Moderator ima e drugo dobro lastnost: povsaki zaustavljeni veri`ni reakciji prepre~uje povianje temperature, ki nastanezaradi zaostalih reakcij radioaktivnih snovi, ki so v reaktorski sredici.

Zgled. Spro~ena energija pri popolni cepitvi 1 kg uranovega izotopa 235UProsta energija jedra atoma: Wm = 3,06 ·10–11 J

Avogadrovo tevilo: N = 6,02 ·1026 mol–1

Molska masa izotopa 235U: M = 235 kg/mol

qN W

M=

⋅ m = 7,85 · 1013 J/kg = 2,2 ·107 kW h/kg ≈ 900 MW d/kg (4.05)

Popolna cepitev 1 kg izotopa 235U dobavlja en dan toplotni tok mo~i 900 MW. Zaprimerjavo: zgorevanje 1 kg ogljika C dobavlja toplotni tok okrog 0,36 kW d. Kerje v naravnem uranu samo 0,714 % izotopa 235U, je pravilneje primerjati 1 kgnaravnega urana (v termi~nem reaktorju je cepitev izotopa 238U prakti~no zanemar-ljiva) z 1 kg ogljika. Po tej primerjavi ustreza 1 kg naravnega urana koli~ini 19'000kg ogljika (èlezniki vagon ~rnega premoga).


4.3 Termi~ni jedrski reaktorji

4.3.1 Glavni sestavni deli

V dananjih jedrskih elektrarnah obratujejo skoraj samo termi~ni reaktorji, glavnesestavne dele jedrske sredice takega reaktorja prikazujeta sliki 4.5 in 4.6. Naj-ve~krat je jedrsko gorivo vstavljeno v posebne cevi, ki so med seboj vzporedne inpostavljene v to~no dolo~enih razmikih. Vmesni prostor je izpolnjen z modera-torjem in hladilnimi kanali. Prete`ni del prostih nevronov mora difundirati skozimoderator, da lahko sproì novo cepitev.

Za~itni tulci (sraj~ke) okrog goriva so potrebni, da se zmanja radioaktivnost vhladilni snovi in da je gorivo za~iteno pred erozijskim in korozijskim delovanjem.Tulci morajo biti iz snovi, ki absorbira ~im manj nevtronov; taka snov je na primercirkonij Zr. Jedrsko gorivo tvorijo kerami~ne tablete uranovega dioksida UO2, ki soodporne proti visokim temperaturam. Tali~e urana je 2'800 °C, temperature vsredi~u goriva so ve~ sto stopinj ni`je. V gorivu je navadno nekaj odstotkov urana235U, najve~ji del goriva tvori uran 238U.

Moderator ima nalogo, da zmanjuje hitrost in s tem kineti~no energijo nevtronov,pri tem pa ne sme absorbirati prevelikega tevila le-teh: hitri nevtroni se v modera-torju spremenijo v po~asne. Disipacijo energije nevtronov povzro~ajo elasti~ni trkimed nevtroni in jedri snovi, iz katere je moderator. Z zakonom o gibalni veli~ini jemogo~e dokazati, da je oddana energija najve~ja, ~e imajo vsi udeleènci pribli`noenake atomske mase. Zaradi tega je moderator vedno iz lahkih elementov. Obelastnosti moderatorja, namre~ veliko zmanjevanje kineti~ne energije nevtronov terso~asno majhno absorpcijo le-teh, pa izpolnjuje le malo snovi: voda H2O, te`kavoda D2O, grafit C, berilij Be in berilijev oksid BeO.

124 TERMI^NI JEDRSKI REAKTORJI

Slika 4.5. Reaktorska sredica termi~nega reaktorja: A – jedrsko gorivo, B – za-~itna cev, C – moderator, ^ – hladilni kanal, D – difuzija nevtronov

Glede na snov moderatorja razlikujemo reaktorje, ki so moderirani s te`ko vodo,grafitom in vodo, medtem ko berilij ali berilijev oksid zaradi drage proizvodnje neprideta v potev. Posebno primerna za moderator je voda, saj je potrebna zaviralnapot nevtronov kratka in celotna naprava zato manja in la`ja. Pri grafitu je zavi-ralna pot dalja, masa grafita mora biti zato velika. Ker se s tem nià tudi gostotaenergije, je mogo~e toploto odvajati s plinom, ki ima slabe toplotne prevodnelastnosti kot voda. Izbira moderatorja, njegove tehni~ne in fizikalne lastnosti soklju~ne za varnost jedrskega reaktorja.

Reaktorska sredica je obdana z reflektorjem ali reaktorsko lupino, ki ima nalogo,da zadrì v reaktorski sredici ~im ve~ nevtronov, sliki 4.6 in 4.7. Zato mora imetireflektor podobne lastnosti, kot jih ima moderator.


Slika 4.6. Glavni sestavni deli termi~nega reaktorja: A – reaktorska sredica, B –gorivni element, C – reflektor, ^ – regulacijske palice, D – vodenje regulacijskihpalic, E – tla~na posoda, F – pokrov tla~ne posode, G – dovod hladilne snovi,H odvod hladilne snovi

Kot hladilna snov se uporablja plin ali teko~ina: v plinsko hlajenih reaktorjih CO2

ali He, najve~krat v kombinaciji z grafitnim moderatorjem, v teko~insko hlajenihreaktorjih pa H2O ali D2O (te`ka voda). Posebno enostavni so vodno hlajeni reak-torji, pri katerih je voda so~asno moderator in hladilna snov. Hladilno snov poganjav reaktorskem, zaprtem tokokrogu ~rpalka ali kompresor.

Tla~na posoda obdaja reaktorsko lupino skupaj s hladilno snovjo; pogosto jeizdelana iz debele jeklene plo~evine. Ruski jedrski reaktorji te varnostne posodenimajo.

Regulacijske palice so po obliki podobne palicam jedrskega goriva, napolnjene pa ssnovjo, ki mo~no absorbira nevtrone, na primer z borom B, kadmijem Cd ali ssrebrom Ag. Name~ene so med gorilnimi elementi in jih je po viini mogo~e


Slika 4.7. Glavni sestavni deli gorivnega elementa: A – gorivni element, B – go-rivna palica, C – uranov dioksid UO2, ^ – za~itni tulec, D – izolacija Al2O3,E – vzmet, F – elasti~no vpetje, G – distan~nik

premikati: ~im globlje so pomaknjene med gorilne elemente, ve~ nevtronovabsorbirajo, manja je toplotna mo~ reaktorja in nasprotno.

Tla~na posoda je zaradi mo~nega sevanja reaktorske sredice obdana s betonskimoklepom, imenovanim bioloki primarni oklep. Ta oklep je skupaj s hladilnimkrogom in drugimi pomo`nimi napravami postavljen v reaktorsko poslopje.

Reaktorsko poslopje, ki je vidno od dale~ in karakteristi~no za jedrske elektrarne,je zgrajeno iz plo~evine in betona ter rabi kot varnostni sekundarni oklep. V temposlopju so postavljeni tudi uparjalniki, to so prenosniki toplote, skozi katere te~ena primarni strani reaktorska hladilna snov in na sekundarni strani turbinska para,slika 4.8.

4.3.2 Vrste termi~nih reaktorjev

Iz pribli`no 15 razli~nih zasnov jedrskih reaktorjev je v teku let ostalo samo nekajvrst, razdeliti jih je mogo~e v dve ve~ji skupini:

– vodno hlajeni in vodno moderirani reaktorji in– plinsko hlajeni in grafitno moderirani reaktorji.

Jedrski reaktor je v glavnem dolo~en z vrsto moderatorja, hladilne snovi ingorivom. Te tri komponente imajo odlo~ujo~ vpliv na varnost, nevtronski spekterin namembnost postrojenja.

V prvo skupino spadajo: tla~novodni reaktor (angleka kratica: PWR), vrelni reak-tor (BWR) in te`kovodni reaktor (HWR), ki proizvajajo okrog 85 % vse elektri~neenergije iz jedrskih reaktorjev. Vodno hlajeni reaktorji imajo za gorivo pogosto≈3-odstotno obogaten uran, izrabljeno gorivo je mogo~e po predelavi ponovnokoristno uporabiti. Najbolj razirjen je tla~novodni reaktor, kakrnega ima tudijedrska elektrarna v Krkem. Hlajen in moderiran je z vodo; podobno je zasnovan


Slika 4.8. Shema jedrske elektrarne s termi~nim reaktorjem: A – primarni oklep,B – uparjalnik, C – ~rpalka za reaktorsko hladilno snov, ^ – sekundarni oklep(reaktorsko poslopje), D – turbinsko poslopje

te`kovodni reaktor, le da je hlajen s te`ko vodo. Obe vrsti reaktorja imatauparjalnik, tako da je reaktorski tokokrog popolnoma lo~en od turbinskega. Privrelnem reaktorju ni uparjalnika pare, slika 4.8 (B), imamo samo en tokokrog: enain ista voda se uporablja kot hladilna snov v jedrskem reaktorju, kot moderator inkot delovna snov v turbinskem kro`nem procesu. V zgornjem delu reaktorskesredice se ta voda upari, medtem ko pri tla~novodnem reaktorju voda ne spremeniagregatnega stanja. Proizvodnja pare v reaktorski sredici zahteva pri vrelnemreaktorju relativno velike in drage tla~ne posode. Razen tega je koli~ina pareomejena, sicer postane delovanje moderatorja preibko. Pri tla~novodnem reaktorjuje uparjanje vode v primarnem delu prepre~eno z ustrezno visokim tlakom. Vse tepomanjkljivosti pa odtehta zanesljivost in cenenost teh vrst reaktorjev.

V drugo skupino spadajo: plinsko-grafitni reaktor (GGR), izboljani plinsko hlajenireaktor (AGR) in visokotemperaturni reaktor (HTR) ter drugi. Med razvojem so vsidoìveli vrsto poenostavitev in izboljav, npr. razmestitev gorivnih elementov,regulacija mo~i, vrsta hladilne snovi, plinsko-parni kro`ni proces itd. Kljub temujih je v obratovanju manj, njihova gospodarnost in zanesljivost se o~itno ne moreprimerjati z vodno hlajenimi in vodno moderiranimi reaktorji. Visokotemperaturnireaktorji imajo za gorivo od 7- do 8-odstotno obogaten uran.

Vsem termi~nim jedrskim reaktorjem je skupno bolj ali manj slabo izkori~anjegoriva, vodno hlajenim in vodno moderiranim reaktorjem pa e nizki parametrisveè turbinske pare, kar vodi k termi~nemu izkoristku kro`nega procesa, ki jemanji kot pri klasi~nih termoelektrarnah na fosilna goriva.

4.3.3 Novi evropski tla~novodni reaktor

Vodilni evropski jedrski velesili Francija in Nem~ija sodelujeta pri razvoju skup-nega projekta novega evropskega tla~novodnega reaktorja EPR. Poudariti je treba,da ne gre za nov reaktor, ampak za obstoje~ega, podobnega, kot je v jedrskielektrarni v Krkem, vendar v mnogo~em izboljan, preglednica 4.1. Zasnova jetaka, da ga je mogo~e postaviti skoraj nespremenjenega povsod po Evropi. Glavnicilj je razviti u~inkovite tehni~ne pripomo~ke, ki dovolj varno obvladujejo vsenepredvidene dogodke, tudi zelo maloverjetne.

Evropski jedrski reaktor naj bi po izteku trajnostne dobe nadomestil dosedanjapostrojenja v Franciji, Nem~iji pa tudi v drugih dràvah. V Franciji je v obra-tovanju 59 enot, ki proizvedejo ve~ kot 70 % vse elektri~ne energije, v Nem~iji pa19 enot, ki pokrivajo 30 % potreb po elektri~ni energiji. Zamenjave obstoje~ihjedrskih postrojenj v ve~jem obsegu so v obeh dràvah pri~akovane ele v letu2010 in naprej, ra~una pa se, da gredo prva naro~ila v realizacijo pred tem letom.Doslej sta bili pri tem skupnem projektu obdelani dve fazi raziskav: zasnovajedrskega reaktorja in osnovni projekt postavitve. Teì~e raziskav je na varnost-nih, gradbenih in ekonomskih zahtevah.


Varnostne zahteve

êprav gre za obstoje~i izboljani tla~novodni reaktor, je varnostni konceptpostavljen popolnoma na novo, predvsem tirikratna redundanca s fizi~no lo~itvijovarnostnih sistemov. Na dnu reaktorskega poslopja je predviden velik rezervoarrezervne hladilne vode, s katero je mogo~e v primeru velike nesre~e dodatnohladiti nastalo raztaljeno reaktorsko jedro. V ta namen je v bliìni tla~ne posodepredviden poseben prostor, kamor se talina lahko izlije. Bistvene predpostavke zapove~anje jedrske varnosti oz. za zmanjanje verjetnosti jedrske nesre~e: poeno-stavitev varnostnih sistemov, pri ~emer se njihova funkcionalnost ne zmanjuje,stabiliziranje raztaljenega reaktorskega jedra v tla~ni posodi in mo`nost dovoljdolgega hlajenja taline, zagotavljanje najve~je, e dovoljeno pu~anje iz varnostnetla~ne posode, izboljanje sti~ne to~ke ~lovek/delovanje naprav: digitalna tehnika,prikazi stanj z videonadzorom, nadaljnji razvoj informacijskih sistemov.

Preglednica 4.1. Va`neji tehni~ni podatki na~rtovanega evropskega jedr-skega reaktorja in primerjava z jedrsko elektrarno v Krkem (pred posodo-bitvijo turbine)

Parametri EPR JE Krko

Toplotna mo~ reaktorja 4472 MW 2000 MW

Elektri~na mo~ generatorja 1528 MW 700 MW

Reaktorska sredica

– tevilo gorivnih elementov– tevilo regulacijskih palic– konfiguracija gorivnih palic– aktivna viina sredice– srednja mo~ gorivne palice

24181

17 × (17–25)420 cm

154 W/cm

121

16 × (16–21)366 cm

175 W/cm

Primarni sistem

– tevilo zank– obratovalni tlak– temperatura na vhodu– temperatura na izhodu– pretok hladilne snovi

4155 bar

291,3 °C326,3 °C

21050 kg/s

2159 bar

287,5 °C324,0 °C8940 kg/s

Sekundarni sistem

– tlak sveè pare– odvod toplote iz sistema

72,5 barhladilni stolp

60,3 barreka Sava

Gradbene zahteve

Najpomembneje zahteve so: sestava tal, potresno nevarna obmo~ja in morebitnipadec letala. Po EUR (European Utility Requirement) je predpisan najve~jipotresni pospeek tal 0,25 g, ki zadostuje prakti~no za vse lokacije v Evropi. Zapadec letala na reaktorsko poslopje so privzeta navodila, po katerih mora bitidebelina armirane betonske stene 1,30 m. Za gradbeno izvedbo reaktorskega


poslopja je prevladal koncept valjaste oblike z masivno temeljno plo~o, zzunanjim in notranjim pla~em. Notranja prostornina je 90'000 m3, imenski inpreizkusni tlak 6,5 bar. Tesnost zagotavlja – namesto dananje jeklene obloge –prevleka iz vinilestra ali epoksi smole debeline od 3 mm do 8 mm.

Gospodarnost postrojenjaPove~anje elektri~ne mo~i jedrskega postrojenja (1500 MW), standardizacijazasnove postrojenja, izboljanje razpolo`ljivosti (7500 h/a obratovanja) in izko-ristka postrojenja, podaljanje ~asa uporabe goriva (24 mesecev), podaljanje dobetrajanja postrojenja (60 let).

Proizvajalec Siemens gradi po naslednjih predpostavkah: investicijski stroki –1528 EUR/kW h za jedrski reaktor elektri~ne mo~i 1528 MW, postavitev shladilnim stolpom, lastna cena – 0,03 EUR/kW h vklju~uje stroke goriva instroke demontaè postrojenja, redni letni pregled pa naj bi bil kraji od 20 dni.

4.4 Oplodni jedrski reaktorji

V termi~nih reaktorjih se v glavnem izkori~a le izotop 235U, medtem ko je izotop238U, ki ga je v naravi 140-krat ve~, pri reakciji udeleèn le posredno s tem, da tvoriplutonij. Izotop 238U pa je mogo~e izkori~ati v oplodnih jedrskih reaktorjih. Vtakih reaktorjih hitri nevtroni preobrazijo (konvertirajo) naravna jedrska goriva,med katere spadata predvsem uran 238U in torij 232Th, v mo~na goriva. Za cepitev jepotreben po en nevtron, pri tem sta najva`neji jedrski reakciji:

1n + 232Th → 233Th → 233Pa → 233U (4.06)1n + 238U → 239U → 239Np → 239Pu (4.07)

Razmerje med koli~ino proizvedenega mo~nega goriva (urana 233U in plutonija239Pu) in koli~ino goriva (torija 232Th in urana 238U), ki se porablja pri cepitvi jeder,se imenuje oplodni (konverzijski) faktor. @eleno je, da je ta faktor ve~ji od 1, kajti vtem primeru dobimo poleg spro~ene energije e gorivo za termi~ne jedrske reak-torje.

Oplodni jedrski reaktorji imajo predel, kjer poteka cepitev jeder, ter enega ali ve~oplodnih predelov. Prvo omenjeni predel ne sme imeti moderatorja, gorivo pa morabiti mo~no obogateni uran ali plutonij. Ker je potrebno intenzivno hlajenje, sohladilne snovi lahko samo teko~e kovine (npr. natrij), ki imajo zelo dobro toplotnoprestopnost. V oplodnih predelih reaktorja je gorivo naravni uran in torij.

Oplodni reaktor obratuje z mo~no obogatenim gorivom, nima pa moderatorja(moderator upo~asnuje hitrost nevtronov, hitri nevtroni se spreminjajo v po~asne) ,zato obstaja nevarnost nekontrolirane jedrske reakcije. Nadaljnje teàve povzro~ajoneobi~ajne hladilne snovi. Zaradi mo~nega nevtronskega toka v jedrski sredici se

130 OPLODNI JEDRSKI REAKTORJI

tvori izotop 24Na, ki seva àrke g. Reaktorska hladilna snov je zato precej radio-aktivna, kar ima za posledico radioaktivnost tudi v sekundarnem hladilnem krogu.Zato je potreben e tretji zaprti tokokrog, v katerem te~e voda oziroma vodna para.Voda ima do natrija visoko afiniteto in è majhne netesnosti lahko vodijo doeksplozije. Ker bo v nekaj generacijah nastopilo resno pomanjkanje goriva zatermi~ne reaktorje, imajo oplodni reaktorji – kljub ve~ nereenih tehnolokih teàv– dolo~eno prihodnost.

4.5 Primerjava med jedrsko in klasi~no termoelektrarno

4.5.1 Parni kro`ni proces pri tla~novodnem in vrelnem reaktorju

Gledano samo s termodinami~nega vidika pomeni jedrska elektrarna s tla~novod-nim in vrelnim reaktorjem nazadovanje v primerjavi s klasi~no termoelektrarno.Kro`ni proces je popolnoma primerljiv s kro`nim procesom pri klasi~nihtermoelektrarnah, le parametri sveè pare so ni`ji, zato je slabi tudi termi~niizkoristek. Na enoto mo~i so potrebne ve~je koli~ine pare kot pri klasi~nihtermoelektrarnah in s tem ve~je dimenzije parnega turbinskega postrojenja, ve~ja jetudi vla`nost pare v zadnjih turbinskih stopnjah in ve~ji je toplotni tok, ki odtekaskozi kondenzator v okolico. Ve~ sveè pare pomeni tudi ve~ pare v kondenzatorjuin ve~ hladilne vode. Koli~ina hladilne vode pri jedrski elektrarni s tla~novodnimali vrelnim reaktorjem je vsaj za 50 % ve~ja, kot je pri enako veliki klasi~nielektrarni na fosilna goriva.Teoreti~ni parni kro`ni proces in shemo jedrske elektrarne s tla~novodnimreaktorjem prikazuje slika 4.9. V takem procesu privzamemo v prvem pribliànjuizentropno kompresijo in ekspanzijo (brez notranjih nepovra~ljivosti) ter izobarnidovod in odvod toplote (brez preto~nih uporov). Idealni proces, ki je v prikazanemprimeru nasprotno od klasi~ne termoelektrarne po sliki 3.2 brez rezervoarja napa-jalne vode, poteka tako-le:

1 – 2 s = konst., 1W2 > 0, 1Q2 = 0

dvig tlaka napajalne vode s ~rpalko za kondenzat od tlaka v kondenzatorju donekega vmesnega tlaka, ki je odvisen od izbire ~rpalke za napajalno vodo; ~rpalkaza kondenzat in ~rpalka za napajalno vodo sta neposredno zaporedno vezani;

2 – 3 p = konst., 2W3 = 0, 2Q3 > 0

regenerativno gretje napajalne vode v nizkotla~nih grelnikih;

3 – 4 s = konst., 3W4 > 0, 3Q4 = 0

dvig tlaka napajalne vode z napajalno ~rpalko od nekega vmesnega tlaka do tlakasveè pare, ki je ni`ji kot pri klasi~nih termoelektrarnah;

4 – 5 p = konst., 4W5 = 0, 4Q5 > 0


132 PRIMERJAVA MED JEDRSKO IN KLASI^NO TERMOELEKTRARNO

Slika 4.9. Parni kro`ni proces in shema parnega postrojenja v jedrski elektrarnis tla~novodnim ali z vrelnim reaktorjem

regenerativno gretje napajalne vode v visokotla~nih grelnikih;

5 – 6 p = konst., 5W6 = 0, 5Q6 > 0

dogrevanje in uparjanje napajalne vode v uparjalniku jedrskega reaktorja;pregrevanja sveè pare pri tla~novodnem ali pri vrelnem reaktorju ni;

6 – 7 s = konst., 6W7 = 0, 6Q7 > 0

ekspanzija sveè pare v visokotla~ni turbini od tlaka sveè pare do vmesnega tlaka;po kon~ani visokotla~ni ekspanziji te~e mokra para v izlo~evalnik kondenzata, ki jepostavljen v turbinskem poslopju ob parni turbini in kjer se teko~inska faza lo~i odparne;

7"– 8 p = konst., 7W8 = 0, 7Q8 > 0

ponovno pregrevanje pare v pregrevalniku, ki je navadno sestavni del izlo~evalnikakondenzata;

8 – 9 s = konst., 8W9 < 0, 8Q9 = 0

ekspanzija pregrete pare v nizkotla~ni turbini od vmesnega tlaka pregrete pare dopodtlaka (=vakuuma) v kondenzatorju;

9 – 1 p = konst. in T = konst., 9W1 = 0, 9Q1 < 0

kondenzacija pare v kondenzatorju.

Dejanski parni kro`ni proces se razlikuje od teoreti~nega enako kot pri klasi~nihtermoelektrarnah na fosilna goriva.

Zasnova tla~novodnega in vrelnega reaktorja ne dovoljuje, da bi bila vodna para vturbinskem kro`nem procesu pregreta, kot je to pri drugih jedrskih reaktorjih ali pri


Slika 4.10. Parametri sveè pare pri tla~novodnem in vrelnem reaktorju

parnih kotlih. Sveà para je nasi~ena, njeni parametri so pri ni~ti obremenitvi 70bar in 286 °C; to je – eksergijsko gledano – ugodno podro~je, slika 4.10.

Zaradi ni`jih temperatur sveè pare je dejanski izkoristek relativno manji zapribli`no 20 % kot pri enako velikih klasi~nih elektrarnah, kar je lepo razvidno sslike 4.11, ki prikazuje poenostavljeni kro`ni proces pri jedrski elektrarni ztla~novodnim ali vrelnim reaktorjem v primerjavi s kro`nim procesom pri klasi~nitermoelektrarni na fosilna goriva.

Za jedrsko elektrarno v Krkem velja (brez izkoristka jedrskega reaktorja in brezlastne rabe):

η η η η ηe t i m Ge

SP SP

= ⋅ ⋅ ⋅ ≈⋅

=⋅ −

P

m h&

'

( )∆700 000

1090 2778 950= 0,35 (4.08)

pri tem je &mSP masni tok sveè pare pri vstopu v turbino, ∆hSP razlika entalpij medsveò paro in napajalno vodo in Pe mo~ na osi turbine (izkoristek jedrskega reak-torja, lastna raba energije za pogon jedrske napajalne ~rpalke in drugih ~rpalk itd.nista upotevana). Turbina potrebuje za enako elektri~no mo~ ve~ pare kot enakomo~na turbina pri klasi~ni termoelektrarni.

Zaradi ni`jih parametrov sveè pare ima jedrska elektrarna s tla~novodnim alivrelnim reaktorjem samo srednje- in nizkotla~no turbino, slika 4.12, prav tako jepri takih jedrskih elektrarnah manj odjemnih mest za regenerativno gretje napajalnevode (navadno samo od 5 do 6) kot pri klasi~ni termoelektrarni. Ve~ina turbinskihstopenj je izpostavljena vla`ni pari, zato je tudi erozija lopatic mo~neja kot pri


Slika 4.11. Poenostavljeni kro`ni proces pri jedrski elektrarni s tla~novodnim alivrelnim reaktorjem in kro`ni proces pri klasi~ni termoelektrarni


Slika 4.12. Vzdol`ni prerez parne turbine za jedrsko elektrarno; A – visoko-tla~ni del, B – vstop sveè pare iz termi~nega reaktorja, C – vstop vla`ne parev izlo~evalnik kondenzata in pregrevalnik pare, ^ – nizkotla~ni deli, D – vstoppare v kondenzator

klasi~nih parnih turbinah. Para ima na izstopu iz turbine do 15 % vode, slika 4.13,kar je nekoliko vija vla`nost kot pri klasi~nih termoelektrarnah.

4.5.2 Posebnosti v elektrarnah s tla~novodnim in z vrelnim reaktorjem

Jedrska elektrarna s tla~novodnim reaktorjem ima med reaktorskim in turbinskimdelom vgrajen uparjalnik. Ta prenosnik toplote, ki je postavljen v reaktorskoposlopje, lo~i primarni, reaktorski krog od sekundarnega, turbinskega. V temprenosniku se toplota reaktorske hladilne snovi (vode) prenaa na delovno snovturbinskega kro`nega procesa (tudi voda). Pri tem se voda na primarni strani neupari, medtem ko voda na sekundarni strani spremeni agregatno stanje. To je


Slika 4.13. Ekspanzijski krivulji za parni turbini: A – jedrska elektrarna v Krkem(pred posodobitvijo turbine) in B – termoelektrarna v [otanju, enota 5. Ozna-~ena so odjemna mesta za paro za regenerativno gretje napajalne vode.

mogo~e dose~i s tem, da je tlak vode na reaktorski strani ve~ kot dvakrat ve~ji, kotje tlak delovne snovi na turbinski strani.

Z nara~ajo~o reaktorsko mo~jo se pretoki skozi uparjalnik ve~ajo, zaradi tega seve~ajo tudi preto~ni upori, tlak na reaktorski in turbinski strani pa se zmanjuje.Parametri sveè pare so zato pri imenski mo~i turbine nekoliko ni`ji od parametrovsveè pare pri delnih obremenitvah. Klasi~ne termoelektrarne na fosilna gorivamorajo biti trdnostno dimenzionirane na imensko mo~, medtem ko je za te vrstejedrskih elektrarn odlo~ujo~e – vsaj pri nekaterih sklopih – trdnostno dimenzioni-ranje pri ni~ti obremenitvi.

Uparjalnik je cevni prenosnik toplote z veliko gostoto toplotnega toka, ki jezna~ilen za jedrske elektrarne s tla~novodnim reaktorjem. Trdnostna in toplotnaobremenitev naprave je velika, zato je uparjalnik ena od mo~neje obremenjenihnaprav, slika 4.14 in 4.15.

Jedrska elektrarna z vrelnim reaktorjem nima uparjalnika, reaktorski in turbinskikrog nista lo~ena, ista reaktorska hladilna snov te~e skozi reaktor in skozi turbino.Pri vrelnem reaktorju so zato parametri sveè pare nekoliko viji, vendar je ta pararahlo radioaktivna. Zaradi radioaktivne pare mora biti z betonskimi stenami za~i-ten tudi turbinski del postrojenja, skupaj s kondenzatorjem pare.

Posebnost jedrskih elektrarn s tla~novodnim ali vrelnim reaktorjem je tudi izlo~e-valnik kondenzata in pregrevalnik pare. Naloga te naprave je lo~iti vodne kapljiceiz vla`ne pare, ki prihaja iz visokotla~ne turbine, in osueno (nasi~eno) paropregreti s sveò paro, ki prihaja iz jedrskega reaktorja. Pregreta turbinska para te~enato v nizkotla~no turbino, kot prikazuje slika 4.9.

Znanih je ve~ vrst izlo~evalnikov kondenzata in pregrevalnikov pare, ki sekonstrukcijsko med seboj zelo razlikujejo; primer prikazuje slika 4.16. Vla`na para


Slika 4.14. Uparjalnik pri tla~novodnem jedrskem reaktorju: A – reaktorskatla~na posoda; B – uparjalnika; C – obto~ni reaktorski ~rpalki; ^ – regulatortlaka

prihaja po parovodu iz visokotla~ne turbine, pri tem se è v krivinah parovodaizlo~i do 40 % kapljic. Preostale kapljice se ujamejo v ì~ne blazine, ki so vgrajenav spodnjem delu naprave, in padajo navzdol. Osuena turbinska para te~e natoskozi snop cevi, v katerih je sveà para iz jedrskega reaktorja. Reaktorska paraodda svojo kondenzacijsko toploto turbinski pari, ki se pri tem pregreje. Stremeti jetreba, da ima turbinska para pred pregrevanjem ~im manjo vla`nost (do 0,1 % do0,3 %), saj potrebuje vsak kilogram kondenzata za uparitev okrog 2000 kJ toplote.Tlak pare je od 8 bar do 12 bar, padec tlaka pri prehodu skozi napravo je ≈5 %vstopnega tlaka. Temperaturne razmere v pregrevalniku pare prikazuje slika 4.17.

Zaradi velikih temperaturnih razlik, ki povzro~ajo napetosti v konstrukcijskihmaterialih, se pregrevalnik pare pogosto vklaplja ele pri 15 % do 25 % imenske


Slika 4.15. Uparjalnik: A – dovod napajalne vode; B – odvod sveè (suhe)pare; C – dovod hladilne snovi iz reaktorja; ^ – povratek hladilne snovi vreaktor; D – snopi cevnih prenosnikov toplote; E – obro~ni razdelilnik napajalnevode; F – izlo~evalniki kapljic; G – nosilne konzole


Slika 4.17. Potek temperature v pregrevalniku pare v odvisnosti od mo~i

Slika 4.16. Izlo~evalnik kondenzata in pregrevalnik pare: A – dovod sveè pareiz reaktorja, B – odvod kondenzata sveè pare, C – dovod vla`ne pare izvisokotla~ne turbine, ^ – odvod kondenzata turbinske pare, D – odvodpregrete pare v nizkotla~no turbino, E – izlo~evalnik kondenzata, F – pregre-valnik turbinske pare

mo~i. Pri vseh novejih postrojenjih se turbinska para pregreva v dveh stopnjah:osuena para se najprej delno pregreje z odjemno turbinsko paro iz visokotla~neturbine, v drugi stopnji pa e s sveò paro iz reaktorja.

Zgled. Izlo~evalnik kondenzata in pregrevalnik pare

Znani so podatki po shemi na sliki 4.18. Izra~unati je treba:

– porabo sveè pare iz jedrskega reaktorja in– toplotno prehodnost pregrevalnika pare s povrino 700 m2.

Iz toplotne bilance je mogo~e izra~unati masni tok sveè pare in od tod drugezahtevane podatke:

700 ·2'444 + &mSP · 2'778 =

= (1 – 0,85) · 700 · 670 + 0,85 · 700 · 2'978 + &mSP ·1'241

Od tod masni tok sveè pare:

&mSP = 85,53 kg/s

Toplotni tok skozi pregrevalnik pare:&Q = 85,53 · (2'778 – 1'241) = 131'460 kW

Logaritmi~na srednja temperaturna razlika:


Slika 4.18. Toplotna shema izlo~evalnika kondenzata in pregrevalnika pareLegenda

p / bar h / (kJ/kg)

&m / kg/s T / °C; x

Θ m =−−−

260 0 158 8

280 8 158 8

280 8 260 0

, ,

ln, ,

, ,

= 57,2 °C

Toplotna prehodnost:

kQ

A=

⋅=

⋅

& '

,Θ m

131460

700 57 2= 3,28 kW/(m2·K)

4.6 Jedrska elektrarna in okolje

Jedrske termoelektrarne e desetletja ne bodo izgubile na svoji pomembnosti,enako kot ne bodo izgubile na pomembnosti klasi~ne termoelektrarne na fosilnagoriva. Kratkoro~no gre razvoj v smer izboljane varnosti delovanja sedanjihtermi~nih reaktorjev. Srednjero~no se strokovnjaki ukvarjajo z jedrskimi reaktorji,ki bodo imeli za gorivo izotope urana in drugih goriv, ki jih je dovolj v zemeljskiskorji, na primer izkori~anje izotopa 238U namesto izotopa 235U. Dolgoro~no pastavijo strokovnjaki na jedrsko fuzijo, o ~emer je ve~ napisano v poglavju o pri-hodnji preskrbi z energijo. Pri jedrskih elektrarnah ostaja parna turbina nepo-greljiv pogonski stroj, enako kot pri klasi~nih termoelektrarnah.

Cilj vseh teh tehni~nih naporov pa ni samo bolje izkori~anje primarne energije,ampak tudi manja obremenitev okolja in varneje obratovanje.

V jedrski elektrarni je koristni proizvod elektri~na energija, odpadni proizvod patopla voda iz kondenzatorja in jedrski odpadki.

Masna in energijska bilanca jedrske elektrarne po sliki 4.19:

& & & &m m m mG V O V+ = + (4.09)

&

&

&

&Q m c T Q m c T Pp pdo V V V1 O V V V2+ ⋅ ⋅ = + ⋅ ⋅ + (4.10)

kjer sta &Qdo iz reaktorja dovedeni toplotni tok v kro`ni turbinski proces in &QO

zaostali toplotni tok izgorelega jedrskega goriva.


Slika 4.19. Masni in energijski tokovi pri jedrski elektrarni

Iz obeh bilanc izhaja, da odteka v okolico:

– masni tok ogrete hladilne vode &mV ter masni tok jedrskih odpadkov &mO (dejanskomasni tok jedrskih odpadkov ni zvezen, ampak le ob~asen);

– toplotni tok iz kondenzatorja ( &

&Q m c Tpod V V V= ⋅ ⋅∆ ) ter toplotni tok izrabljenega

jedrskega goriva &QO (dejansko toplotni tok izrabljenega jedrskega goriva, kispada med visokoaktivne jedrske odpadke, ni zvezen, ampak le ob~asen).

S hladilno vodo odteka v okolje toplotni tok, ki je bistveno ve~ji od proizvedeneelektri~ne mo~i, vendar ta toplotni tok za okolico ni obremenjujo~. Prav tako jenepomemben toplotni tok, ki ga proizvaja izrabljeno gorivo. Za okolje so nevarni lejedrski odpadki, ki so zaradi svoje pomembnosti obravnavni posebej.

4.6.1 Radioaktivni odpadki in odlagali~a

Jedrska elektrarna obremenjuje okolje pri normalnem obratovanju precej manj kotpa klasi~na elektrarna na fosilna goriva. Pri zgorevanju fosilnih goriv se spro~ajovelike koli~ine CO2, NOX in SO2, ki mo~no obremenjujejo okolje. Prav tako jeionizirno sevanje iz elektrarn na premog ve~je kot iz jedrskih elektrarn. Rjavi in~rni premogi vsebujejo namre~ malenkostne koli~ine urana, torija in kalija 40, zatonosijo dimni plini s seboj radioaktivni plin radon, pepel pa vsebuje nekatereradioaktivne nukleide in predvsem a-àrke. Pri klasi~ni elektrarni na premog mo~i500 MW je ekvivalentna koli~ina ionizirnega sevanja od 0,001 mSv do 0,060 mSv,medtem ko je ta koli~ina pri jedrski elektrarni mo~i 1300 MW v najneugodnejemprimeru le od 0,001 mSv do 0,020 mSv.

V preglednici 4.2. so zbrane nekatere va`njee merske enote za ionizirno sevanje.Poleg natetih je v praksi pogosta e merska enota 1 Sv/h, to je absorbiranaenergija na enoto mase in enoto ~asa, pomnoèna s faktorjem, ki upoteva biolokepokodbe (za b- in g-delce je ta faktor 1, za a-delce do 20).

Preglednica 4.2. Merske enote za ionizirno sevanje

Merske enote zaionizirno sevanje

Stare enote zaionizirno sevanje

Opis

bequerel (bekerel)1 Bq = 1 razpad/s

curie1 Ci = 3,7 · 1010 Bq

Aktivnost radioaktivnega izvira.Merilo za hitrost razpadanja atomskih jeder na enoto~asa

gray (grej)1 Gy = 1 J/kg

rad1 rad = 10–2 Gy

Absorbirana doza v tkivu.Merilo za absorbirano energijo sevanja na enotomase tkiva

sievert (sivert)1 Sv

rem1 rem = 10–2 Sv

Ekvivalentna absorbirana doza sevanja, pomnoèna sfaktorjem, ki upoteva u~inek bioloke pokodbe

Pri obratovanju jedrskih elektrarn nastajajo radioaktivni odpadki. Glede na njihovoradioaktivnost so razdeljeni na dve skupini:

142 JEDRSKA ELEKTRARNA IN OKOLJE

Nizkoradioaktivni odpadki [(5·106 – 5·109) Bq/m3] in srednjeradioaktivni odpadki[(5·109 – 5·1014) Bq/m3], pribli`no od 300 m3 do 400 m3 odpadkov na leto za elek-trarno mo~i 1300 MW. To so odpadki iz rednega obratovanja in vzdrèvanjajedrskih elektrarn. Te vrste odpadki nastajajo v manih koli~inah tudi v bolnini-cah, v raziskovalnih laboratorijih in v nekaterih vejah industrije.

Visokoradioaktivni odpadki (> 5·1014 Bq/m3), pribli`no od 20 m3 do 30 m3 odpad-kov na leto za elektrarno mo~i 1300 MW. To je v glavnem izrabljeno jedrskogorivo, pri katerem se zaradi razli~nih zapoznelih jedrskih reakcij proizvaja toplota.K visokoradioaktivnim odpadkom pritevamo tudi razli~ne dele naprav, ki sopovezani z gorivnimi elementi: dràla, tulci gorivnih palic in drugi ostanki. Na tehdelih se zadrùjejo produkti cepitvenih reakcij, ki so posledica mnoìce razli~nihradioaktivnih izotopov. Nekateri razpadajo hitro, drugi zelo po~asi – mednje spadanpr. plutonij.

V vsaki jedrski elektrarni se ob rednih letnih vzdrèvalnih delih zamenja delgorivnih elementov. Iztroeno gorivo gre v za~asno skladi~e v jedrski elektrarni,kjer ostane zaradi svoje visoke radioaktivnosti vsaj leto dni, navadno pa nekaj let.Ti gorivni elementi gredo, potem ko se njihovo radioaktivno sevanje ustreznozmanja, v ponovno predelavo ali v kon~no odlagali~e za radioaktivne odpadke.Od jedrskega goriva 235U ostane namre~ ~etrtina neporabljena. Pri ponovni pripravigoriva je ta preostanek goriva mogo~e lo~iti, prav tako tudi nastali plutonij. Obakemi~na elementa sta primerna za pripravo novega goriva.

Odlagali~a za radioaktivne odpadke so razdeljena na:

– za~asna skladi~a v jedrski elektrarni

– odlagali~a za nizko- in srednjeradioaktivne odpadke (odpadki so radioaktivnive~ desetletij, njihova razpolovna doba radioaktivnosti je ≈30 let)

– odlagali~a za visokoradioaktivne odpadke (odpadki so radioaktivni ve~ stoletij).

Vsaka jedrska elektrarna ima svoje za~asno skladi~e, ki je na~rtovano in zgrajenopo ustreznih varnostnih predpisih in zadostuje za vse vrste odpadkov za dobo do 20let. Prav tako je velika ve~ina dràv reila problem skladi~enja nizko- in srednje-radioaktivnih odpadkov, medtem ko problem skladi~enja visokoradioaktivnihodpadkov zaradi ~asovno zelo dolgotrajnih raziskav doslej e ni popolnoma reen,kar pa ne pomeni, da tehni~no ni reljiv.

Izbira mesta odlagali~a za visokoradioaktivne odpadke je odvisna od tevilajedrskih elektrarn, naseljenosti pokrajine, geoloke sestave tal, razpolaganja sprimernimi opu~enimi rudniki itn. Izbrano mora biti tako, da mo~no radioaktivnimaterial v nobenem primeru ne more priti v stik z biosfero, dokler njegovoradiotoksi~no delovanje ne preneha. Klju~no vlogo igra pri tem mehanika tal. Zakon~no odlagali~e visokoradioaktivnih odpadkov so primerne plasti kamene soliali granit. Doslej so vse ~asovno dolgotrajne raziskave pokazale spodbudne rezul-tate. V Nem~iji trajajo na primer è od leta 1965, razvita je tehnika skladi~enja,dokon~no sta dolo~eni lokaciji: opu~eni rudnik èlezove rude Konrad za vse vrste


nizko- in srednjeradioaktivnih odpadkov, ki ne razvijajo toplote, in opu~eni rudnikkamene soli Gorleben za toplotno aktivne radioaktivne odpadke.

V preglednicah 4.3 in 4.4 so zbrani zna~ilni radioaktivni odpadki iz jedrskihelektrarn.

Preglednica 4.3. Nizko- in srednjeradioaktivni odpadki v jedrskih elektrarnah

Vrste in izvor odpadkov Na~in shranjevanjaLetna koli~ina za

elektrarno 1300 MW(e)

Teko~inski odpadkiOstanki ~i~enja primarne delovne snoviFiltrska go~aîstilne raztopineIonske smole

Izpirati, uparitido suhe poga~ealiizlo~iti aktivne snovi incementirati preostanek

≈70 m3

(Koncentrat)

Gorljivi odpadki:Za~itne oblekeRokavicePrevleke za ~evljeUmetne snovi, folijeFiltri

Se`gati,pepel stisniti ali cementirati

≈190 m3

Negorljivi odpadki:Kovinski odpadkiKovinske posodeOstanki cevovodovKontaminirano orodjeKabli in motorjiGradbeni odpadkiFiltrske sve~e

Razkosati in stisniti

Cementirati v betonskeali lite posode

≈70 m3

Preglednica 4.4. Dele` nizko-, srednje- in visokoradioaktivnih odpadkov v jedr-skih elektrarnah

Vrsta radioaktivnih odpadkov Volumenski dele` Dele` radioaktivnosti

Nizko- in srednjeradioaktivni odpadki,brez zaostale toplote

95 % 1 %

Visokoradioaktivni odpadki (izrabljenigorivni elementi), tvorjenje zaostaletoplote

5 % 99 %

Preglednica 4.5. Naravno in e dovoljeno radioaktivno sevanje na ~loveka.Letne ekvivalentne doze

Ionizirno sevanje Opis

2 – 7 mSv/a Naravno in umetno povzro~eno radioaktivno sevanje na ~loveka (razli~nood pokrajine do pokrajine, Slovenija okoli 2,5 mSv/a)

50 mSv/a Dovoljene vrednosti za osebe, ki so poklicno izpostavljene radioaktivnemusevanju


4.6.2 Nezgode in nesre~e v jedrskih elektrarnah

V preteklosti se je zgodilo ve~ nesre~ v jedrskih elektrarnah s pokodbami jedrskesredice; med ve~jimi, ki so poznane javnosti, je treba omeniti: Calk River, Kanada(1947), Windscale, Velika Britanija (1951), Idaho, ZDA (1958), Lucens, [vica(1968), Three Mile Island, ZDA (1978) in êrnobil, Rusija (1983).

Reaktorska sredica je bila popolnoma uni~ena samo pri zadnjih dveh nesre~ah.Samo v primeru êrnobila pa je sevanje v irokem obsegu prodrlo v okolico indoseglo najve~je vrednosti 300 do 500 mSv. Konstrukcija jedrskega reaktorja vêrnobilu je v marsi~em posebna in je poznana samo v nekdanji Sovjetski zvezi:moderator je grafit, hladilna snov pa voda. Manjka na primer tla~na posoda insistem za hitro izklapljanje delovanja reaktorja. Dinami~no obratovanje reaktorja jenestabilno e posebej pri delnih obremenitvah; stabilnost obratovanja reaktorja niodvisna od same zasnove reaktorja, ampak mora za njo skrbeti kompliciranregulacijski sistem. Nesre~o je povzro~ilo – ~e odtejemo te`ke napake, ki jih jezagreilo osebje – bistveno pomanjkanje varnostnih in tehni~nih reitev è pri samikonstrukciji reaktorja. V preglednicah 4.5, 4.6 in 4.7 so zbrani nekateri podatki invrednosti za sevanje in omenjene njihove posledice na ~loveka.

Preglednica 4.6. Nekatere orientacijske vrednosti delovanja ionizirnega se-vanja na ~loveka

Ionizirno sevanje Obolelost obsevanih in posledice

do 0,5 Sv Neznatne prehodne spremembe v krvi, drugih znakov ni

0,8–1,2 Sv Pri 5 % do 10 % vseh obsevanih en dan trajajo~e bruhanje, omotica inutrujenost

1,3–1,7 Sv Pri pribli`no 25 % obsevanih en dan trajajo~e bruhanje in omotica v povezavi zdrugimi bolezenski simptomi zaradi sevanja; smrtni primeri niso pri~akovani

1,8–2,6 SvPri pribli`no 25 % obsevanih en dan trajajo~e bruhanje in omotica v povezavi zdrugimi bolezenski simptomi zaradi sevanja; mogo~i so posamezni smrtniprimeri

2,7–3,3 Sv Pri skoraj vseh obsevanih prvi dan bruhanje in omotica v povezavi z drugimibolezenskimi simptomi zaradi sevanja; smrtnost pribli`no 20 % v 2 do 6 tednih

4,0–5,0 SvPri vseh obsevanih prvi dan bruhanje in omotica v povezavi z drugimibolezenskimi simptomi zaradi sevanja; smrtnost pribli`no 50 % v enem mesecu,rekonvalescenca preìvelih pribli`no 6 mesecev

5,5–7,7 SvPri vseh obsevanih bruhanje in omotica v prvih 4 urah v povezavi z drugimibolezenskimi simptomi zaradi sevanja; smrtnost skoraj 100 %, rekonvalescencaredkih preìvelih pribli`no 6 mesecev

10 Sv Pri vseh obsevanih bruhanje in omotica v 1 do 2 urah, verjetno ni preìvelih

50 Sv V hipu te`ka obolelost, smrt v enem tednu

êrnobilska nesre~a je postala pomemben mejnik in mnogi, ki so bili dotlej douporabe jedrske energije brezbri`ni, so po nesre~i postali zagrizeni nasprotniki


uporabe te vrste energije v kakrne koli namene. Lai~na javnost je postala "poêrnobilu" tako ~rnogleda, da mnenju in trditvam strokovnjakov, ki obvladujejo topodro~je, ne verjame.

Preglednica 4.7. Mednarodna lestvica vrednotenja nenormalnih dogodkov vjedrskih elektrarnah

LestvicaVpliv sevanja

zunaj postrojenjaVpliv sevanja v

postrojenjuOkrnjene

varnostne merePrimeri

7

Najte`ja mo`nanesre~a

(Major accident,katastrophalerUnfall)

Katastrofalnasprostitev; velikvpliv na zdravjeprebivalstva inna okolico

êrnobil, Rusija,1986

6

Te`ka nesre~a

(Serious acci-dent, schwererUnfall)

Znatna spro-stitev; popolnoizvajanjeza~itnihukrepov

–

5

Te`ja nesre~a

(Accident withoff-site risks,ernster Unfall)

Omejenasprostitev;

delno izvajanjeza~itnihukrepov

Te`ka pokodbareaktorskesredice

Windscale,V. Brit., 1957;

TMI, ZDA,1979

4

Nesre~a

(Accidentmainly ininstallation,Unfall)

Manjasprostitev;izpostavljenostprebivalstvanekaj mSv/osebo

Delna pokodbareaktorskesredice; zdrav.pokodbedelavcevmogo~e

St. Laurent,Francija, 1980

3

Resna nezgoda

(Seriousincident,

ernster Störfall)

Zelo majhnasprostitev;izpostavljenostprebivalstvanekaj desetinkmSv/osebo

Ve~jakontaminacija;nedovoljenovisokaizpostavljenostdelavcev

Skoraj nesre~a,popolna izgubastopenjskihvarnostnihukrepov

Vandellos,[panija, 1989

2Nezgoda

(Incident,Störfall)

Omejena izgubastopenjskihvarnostnihukrepov

Izpadinstrumentacije,Francija, 1989

1Nepravilnost

(Anomaly,Störung)

Odmiki oddovoljenegaobratovanja

Zlom cevi vuparjalniku

0Motnje, podlestvicovrednotenja

Brez pomena zavarnost

Avtomati~nazaustavitevobratovanja


4.6.3 Razgradnja

Najpogosteji vzroki za zaustavitev in razgradnjo jedrskih elektrarn so: obratovanjeelektrarne je postalo negospodarno, postrojenje je tehni~no zastarelo, potrebna sovelika in obse`na obnovitvena dela, bistveni deli postrojenja so na koncu dobetrajanja, obstajajo nepremostljivi administrativni problemi.

Po svetu je bilo do konca leta 2001 zaustavljenih 95 jedrskih reaktorjev v 16dràvah, od tega okrog 20 % popolnoma razgrajenih, med njimi ve~ raziskovalnih,pri katerih je razgradnja e posebej teàvna. ê vzamemo obratovalno dobo jedrskeelektrarne 40 let, potem bo treba po letu 2000 ustaviti pribli`no 100 in po letu 2010e nadaljnjih 200 reaktorjev. V ZDA je bilo doslej zaustavljenih 22, v Nem~iji 17,v Veliki Britaniji 12, v Kanadi in Franciji po 11 enot, v drugih dràvah precejmanj. Poskusna jedrska elektrarna Niederaichbach 100 MW v Nem~iji je bilarazgrajena do "zelenice". Prostor nekdanjega reaktorja je mogo~e od leta 1995naprej uporabljati brez kakrnih koli radiolokih ali drugih omejitev.

Od leta 1995 je v teku popolna razgradnja nekdanjega vzhodnonemkega ener-getskega giganta JE Greifswald 5 × 440 MW. Gre za ruske tla~novodne reaktorjeVVER, projekt je sedaj najve~ja razgradnja kake jedrske elektrarne na svetu.Odstraniti je potrebno 1'800'000 ton èleza, od tega 600'000 ton radioaktivnegamateriala. Dela razgradnje do zelenice bodo trajala predvidoma 15 let in stala1'800'000'000 EUR.



5PLINSKE ELEKTRARNE

Poglavje obravnava elektrarne s plinsko turbino, ki kemi~no vezano energijoplinastih in teko~ih goriv s plinskim kro`nim procesom spreminjajo v sekundarnoenergijo v obliki elektri~ne energije. Prikazuje osnove delovanja, glavnezna~ilnosti in pomembneje sestavne dele plinskega turbinskega postroja ter vplivelektrarne na okolje. Podpoglavje je namenjeno sestavljenemu plinsko-parnemuprocesu.

5.1 Zna~ilnosti

Plinske elektrarne so za~ele pridobivati pomen ele v novejem ~asu, ~eprav jeprva plinska elektrarna na svetu Neuchatel, 4 MW, [vica, za~ela obratovati è leta1939 in je leta 1989 po 50 letih kot rezervna enota e vedno uspeno obratovala!Plinske elektrarne ne morejo nadomestiti klasi~nih in jedrskih elektrarn, pa~ pa jihzelo dobro dopolnjujejo, npr. pri pokrivanju dnevnih in letnih primanjkljajevelektri~ne energije. V posebnih razmerah, npr. pri pomanjkanju hladilne vode, pricenenem gorivu ali pri slabem elektri~nem prenosnem omre`ju, pa so sodobniplinski postroji v vsakem pogledu konkuren~ni parnim postrojenjem.

Postavitev plinske elektrarne zahteva za vgrajeni kilowat – v nasprotju s klasi~nimielektrarnami na fosilna goriva in jedrskimi elektrarnami – manja investicijska inve~ja obratovalna sredstva, najve~ji del pride na drago gorivo. Ve~ o tem je vpoglavju o gospodarnosti elektrarn. Za plinske postroje so namre~ primerna leplinasta in teko~a goriva. V Sloveniji imamo plinski elektrarni v Brestanici,Trbovljah in v ljubljanski Energetiki.


5.2.1 Plinski kro`ni proces

Kro`ni proces poteka teoreti~no med dvema izentropama in dvema izobarama. Pritem delovna snov – navadno zrak – v procesu ne spremeni agregatnega stanja.Osnovni kro`ni proces poteka v dveh strojih (plinska turbina in kompresor) in dvehnapravah (gorilnik in okolica – primerljiva s kondenzatorjem pri parnem kro`nemprocesu). Kro`ni proces je navadno odprt (za primerjavo: parni kro`ni proces jevedno zaprt), zelo redko ima regenerativno gretje zraka (za primerjavo: parnikro`ni proces ima skoraj vedno regenerativno gretje napajalne vode). Slika 5.1prikazuje enostavni plinski postroj z odprtim kro`nim procesom brez regene-rativnega gretja zraka.

Teoreti~ni plinski kro`ni proces v odprti izvedbi in z regenerativnim gretjem zraka(ki je dodano predvsem zaradi primerjave s parnim kro`nim procesom po sliki 3.2)ter shemo plinske elektrarne prikazuje slika 5.2. V takem procesu privzamemo vprvem pribliànju izentropno kompresijo in ekspanzijo (brez notranjih nepo-vra~ljivosti) ter izobarni dovod in odvod toplote (brez preto~nih uporov). Idealniproces poteka takole:

1 – 2 s = konst., 1W2 > 0, 1Q2 = 0

dvig tlaka zraka s kompresorjem od za~etnega tlaka (pri odprtem kro`nem procesuje to tlak okolice) do tlaka v gorilniku;

2 – 3 p = konst., 2W3 = 0, 2Q3 > 0

regenerativno gretje stisnjenega zraka (najve~krat regeneracije ni);

3 – 4 p = konst., 3W4 = 0, 3Q4 > 0

gretje zraka (neposredno z zgorevanjem goriva v delovnem mediju – zraku) v plin-skem gorilniku;


Slika 5.1. Enostavni plinski postroj z odprtim plinskim kro`nim procesom: A –plinska turbina B – gorilnik, C – kompresor, ^ – elektri~ni generator, D – za-gonski motor

4 – 5 s = konst., 4W5 < 0, 4Q5 = 0

ekspanzija vro~ih plinov do za~etnega tlaka (pri odprtem plinskem procesu je totlak okolice);

5 – 6 s = konst., 5W6 = 0, 5Q6 < 0

ohlajevanje izpunih plinov v regenerativnem grelniku.

5 PLINSKE ELEKTRARNE 151

Slika 5.2. Plinski kro`ni proces in shema plinskega postroja z odprtim kro`nimprocesom

Dejanski plinski kro`ni proces se razlikuje od teoreti~nega. Kompresija ne potekapo izentropi, ampak zaradi upotevanja trenja po nepovra~ljivi adiabati, ki jo jemogo~e predstaviti kot politropo z (notranjim) dovodom toplote, n > κ. Enakovelja tudi za ekspanzijo, medtem ko smemo tla~ne izgube zaradi kratkih razdalj pridovodu toplote zanemariti.

Plinski postroji z odprtim kro`nim procesom imajo v primerjavi s parnimpostrojenjem nekaj velikih prednosti:

– kratek rok dobave

– majhen prostor za postavitev (plinski postroji: 10–20 m2/MW, parna postrojenjaenake mo~i: 50–80 m2/MW)

– nizko specifi~no ceno [EUR/kW] (0,50–0,33 specifi~ne cene parnega postro-jenja)

– kratek zagonski ~as (normalni ~as od zagona do celotne mo~i: 14–20 min, vposebnih primerih: 5 min)

– ne potrebujejo hladilne vode za odvod toplote, ni pepela

– majhna lastna raba energije (< 1 %, ~e ne upotevamo dela za kompresor)

– enostavno upravljanje in

– malo zaposlenih.

Plinski postroji z gorilniki imajo v primerjavi s parnim postrojenjem tudi nekajpomanjkljivosti:


Slika 5.3. Shema plinskega postroja z zaprtim kro`nim procesom

– zahtevajo zelo kvalitetna goriva, kot so zemeljski plin ali lahko kurilno olje (pridrugih gorivih so potrebni predgrevalniki goriva, aditivi za zmanjevanjevisokotemperaturne korozije itd.);

– imajo slabi termi~ni izkoristek in– zaradi visokih temperatur imajo vro~i deli postroja omejeno trajnostno dobo.

Poleg odprtega plinskega kro`nega procesa imamo e zaprt kro`ni proces, slika 5.3,ki ga lahko primerjamo z enostavnim parnim procesom: kompresor pri plinskempostroju ustreza napajalni ~rpalki pri parnem postrojenju, plinski kotel parnemu,plinska turbina parni turbini in hladilnik kondenzatorju.

Prednosti zaprtega plinskega postroja:

– delovna snov je lahko poljuben plin, na primer: zrak, ogljikov dvokis, helij, duikitd.;

– za kurjenje je mogo~e uporabljati kakrnokoli gorivo;– za~etni in z njim tudi delovni tlak je lahko viji, s tem se zmanja specifi~na

prostornina delovne snovi, kar vodi k manjim dimenzijam strojev in naprav;– regulacija mo~i turbine s spreminjanjem masnega toka in s tem bolji izkoristek

postroja pri delnih obremenitvah.

Ker je zaprt plinski postroj podoben enostavnemu parnemu postrojenju, so po-dobne tudi njegove pomanjkljivosti.


Pri predpostavkah, da je delovna snov idealen plin, da se njene lastnosti v kro`nemprocesu ne spreminjajo (cp = konst.), da vbrizgano gorivo ne pove~uje masnegatoka in da ne spreminja kemi~ne sestave delovne snovi, da so tla~ne izgube vcevovodih in napravah med kompresorjem in turbino zanemarljive, velja po sliki5.2:

p p1 5= (5.01)

p p2 4= (5.02)

p p1 1 2 2⋅ = ⋅ν νκ κ (5.03)

p p4 4 5 5⋅ = ⋅ν νκ κ (5.04)

Rp

T

p

T=

⋅=

⋅1 1

1

2 2

2

ν ν(5.05)

π = =p

p

p

p2

1

4

5

(5.06)

Iz obeh ena~b za izentropo, iz plinske ena~be za idealni plin ter definicije za tla~norazmerje π dobimo:


πκ

κ−

= =1

2

1

4

5

T

T

T

T(5.07)

Prosta mo~, ki je na razpolago za pogon generatorja, je mo~ plinske turbine,zmanjana za mo~, ki je potrebna za pogon kompresorja, slika 5.2:

P = PT – PK =

[ ]= ⋅ − − −& ( ) ( )m h h h h4 5 2 1 =

[ ]= ⋅ ⋅ − − −& ( ) ( )m c T T T Tp 4 5 2 1 (5.08)

Mo~ kompresorja je v razmerju z mo~jo plinske turbine velika PK = (0,55–0,67)PT.

Termi~ni izkoristek kro`nega procesa je razmerje med prosto mo~jo in dovedenimtoplotnim tokom, pri tem vpliv regenerativnega gretja zraka zaradi enostavnostiprikaza ni upotevan:

[ ]ηt

P

Q

m h h h h

m h h

h h

h= =

⋅ − − −⋅ −

= −−

&

& ( ) ( )

& ( )

( )

(do

4 5 2 1

4 2

5 1

4

1−

=h2 )

[ ]=

⋅ − − −⋅ ⋅ −

= −−−

& ( ) ( )

& ( )

( )

(

m c T T T T

m c T T

T T

T Tp

p

4 5 2 1

4 2

5 1

4 2

1)

= (5.09)

Z upotevanjem ena~be (5.07) za tla~no razmerje dobimo:

ηπ

κκ

t

T

T

T

T= − = − = − −1 1 1

11

2

5

41

(5.10)

Dejanski izkoristek postroja je manji, saj je treba upotevati izkoristke zaradinepopolnosti strojev: notranji izkoristek turbine ηiT in notranji izkoristek kom-presorja ηiK, mehanski izkoristek ηm ter izkoristek morebitnega reduktorja ηR. Zupotevanjem notranjega izkoristka turbine in kompresorja dobimo notranjo mo~plinskega postroja, ~e pa to pomnoìmo e z mehanskim izkoristkom in izko-ristkom reduktorja, dobimo dejansko mo~.

P m c T T m c T Tp pe m iT miK

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ −η η ηη

& ( ) & ( )4 5 2 1

1=

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ −

− ⋅ −

−

−

η ηπ

ηπ

κκ

κκ

m iTiK

&m cT

Tp4

11

1

11 1

1

(5.11)

Najve~jo dejansko mo~ plinskega postroja dobimo, ~e ena~bo odvajamo pospremenljivki π(κ–1)/κ in prvi odvod izena~imo z ni~, pri tem mora biti drugi odvodmanji od ni~:


∂

∂

Pm c T

T

Tpe

m iTiKπ

η ηπ

ηκκ

κκ

− −= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ −

1 14

12 1

1 1&

( )

= 0 (5.12)

Od tod je optimalno tla~no razmerje:

π η η

κκ

opt iT iK= ⋅ ⋅

−T

T4

1

2 1( )

(5.13)

Pri znanih izkoristkih ηm, ηiT in ηiK ter pri danem temperaturnem razmerju (T4/T1)je mogo~e izra~unati razmerje tlakov π, pri katerem je prosta mo~ plinskegapostroja najve~ja. V temperaturnem razmerju (T4/T1) je vsebovana najvijatemperatura v kro`nem procesu in temperatura okolice. ê bo v prihodnje uspelostrokovnjakom najti e bolje materiale, se bo lahko poviala temperatura na vhoduv plinsko turbino T4, in kot posledica tega se bo pove~al tudi izkoristek plinskegapostroja.

ê upotevamo notranji izkoristek kompresorja, je potrebni dovedeni toplotni tok vkro`ni proces nekaj manji od teoreti~nega ( ′ >T2 T2):

ηiK =⋅ ⋅ −⋅ ⋅ ′ −

& ( )

& ( )

m c T T

m c T Tp

p

2 1

2 1

(5.14)

′ = ⋅ − +T T T T2 2 1 1

1

ηiK

( ) (5.15)

&

& ( )Q m c T Tpdo = ⋅ ⋅ ′ −4 2 =

= & ( )m c T T T Tp⋅ ⋅ − ⋅ − −

4 2 1 1

1

ηiK

=

= &m c TT

Tp⋅ ⋅ ⋅ −

− ⋅ −

−

14

1

1

11

1η

πκ

κ

iK

(5.16)

Dejanski termi~ni izkoristek kro`nega procesa je razmerje med dejansko prostomo~jo in dovedenim toplotnim tokom (zaradi enostavnosti prikaza brez upote-vanja regenerativnega gretja zraka):

η η

η ηπ

πκ

κ

κκ

ee

do

m

iK iT

= = ⋅

⋅ ⋅ ⋅ −

− −−

−

P

Q

T

T

&

4

11

1

11

1

⋅ −

− −

−

η πκ

κiK

T

T4

1

1

1 1

(5.17)


Najve~ji dejanski izkoristek izra~unamo, ~e ena~bo odvajamo po spremenljivkiπ κ κ( −1) / in prvi odvod izena~imo z ni~, pri tem mora biti drugi odvod manji odni~:

∂

∂

η

πκ

κ

e

− =1

0 (5.18)

Rezultat je prikazan na sliki 5.4. Za primer, da so ηm, ηiK in ηiT = 1, velja è znanaena~ba (5.10).

Dejanski izkoristek plinskega kro`nega procesa je v tem teoreti~nem primeru samofunkcija tla~nega razmerja π in se neodvisno od temperaturnega razmerja (T4/T1)asimptoti~no pribliùje vrednosti ena. Z upotevanjem mehanskega izkoristka inobeh notranjih izkoristkov pa se razmere temeljito spremenijo: dejanski izkoristekraste le do dolo~ene meje, ki je odvisna od π in od (T4/T1), nato pa za~ne padati.

Poglejmo e vpliv mo~i kompresorja na notranji izkoristek postroja. Razmiljanjevelja tudi za parno postrojenje, le da imamo namesto kompresorja kotlovskonapajalno ~rpalko.

Teoreti~na prosta mo~ postroja je podana z ena~bo (5.08), njegova notranja prostamo~ pa je enaka:

P P P PP

i iT iK iT TK

iK

= − = ⋅ −ηη

(5.19)


Slika 5.4. Dejanski izkoristek plinskega postroja v odvisnosti od tla~negarazmerja

Notranji izkoristek postroja:

ηη

ηi

iiT T

K

iK

T KP= =

⋅ −

−P

PP

P P

= ηη η

iTiK iT

K

T

K

T

⋅−

⋅−

−

11

1

P

P

P

P

(5.20)

ê je potrebna mo~ za kompresor (ali napajalni ~rpalki) majhna (PK < PT) glede namo~ plinske (ali parne) turbine, potem velja:

lim/P PK T

i iT→=

0η η (5.21)

Notranji izkoristek postroja se v tem primeru pribliùje notranjemu izkoristkuturbine!

Razmere so popolnoma druga~ne, ~e je potrebna mo~ za kompresor (ali zanapajalno ~rpalko) ve~ja glede na mo~ plinske (ali parne) turbine:

lim/P PK T

i→=

10η (5.22)

Z nara~ajo~im razmerjem (PK/PiT) za~ne notranji izkoristek postroja ηi hitropadati. Pri plinskem postroju je zato zelo pomembno, da sta notranja izkoristka


Slika 5.5. Notranji izkoristek toplotnega postrojenja v odvisnosti od razmerjamo~i kompresorja/~rpalke in mo~i plinske/parne turbine: A – parna postrojenja:Pi^ /PiT = (0,04–0,06), B – plinski postroji: PiK /PiT = (0,55–0,67)

kompresorja in turbine ~im ve~ja. Primer: ~eprav sta notranja izkoristka turbine ηiT

= 0,95 in kompresorja ηiK = 0,90 zelo velika, je notranji izkoristek plinskegapostroja samo ηi ≈ 0,7, slika 5.5.

5.2.3 Izboljanje plinskega kro`nega procesa

Izboljanje termi~nega izkoristka plinskega kro`nega procesa je mogo~e zzvievanjem srednje temperature dovoda toplote Tmdo ali z znièvanjem srednjetemperature odvoda toplote Tmod – popolnoma enako kot pri parnem in drugihkro`nih procesih. V praksi so uveljavljeni naslednji tehni~ni ukrepi:

– zvievanje temperature plinov na vstopu v turbino– regenerativno gretje delovne snovi– ponovno gretje in/ali hlajenje delovne snovi– dodajanje vode v plinski kro`ni proces– povezovanje plinskega in parnega kro`nega procesa.

Zvievanje temperature plinov na vstopu v turbino

Srednjo temperaturo dovoda toplote Tmdo lahko zviamo, tako da zviamo tem-peraturo delovne snovi na vhodu v turbino. Toploto dovajamo v zgorevalni komoriz neposrednim zgorevanjem goriva v komprimiranem zraku. Temperatura navstopu v turbino je omejena z obstojnostjo materialov, iz katerih so izdelani zgore-valna komora in vstopni deli trubine s prvo turbinsko stopnjo. Materiali morajoimeti razen velike temperaturne obstojnosti hkrati tudi visoko trajno dinami~no


Slika 5.6. Zvievanje vstopne temperature plinov na vstopu v turbino

trdnost ter odpornost proti lezenju in oksidaciji. Nabolj obremenjene dele turbine,kot je prva turbinska stopnja, hladimo s hladnejim zrakom ali paro. Zaraditemperature mejne plasti je povrina gonilne lopatice od 200 °C do 300 °C ni`ja odtemperature plinov zunaj mejne plasti. Najbolj razirjeni tehniki hlajenja prveturbinske stopnje sta notranje (konvektivno) in zunanje (filmsko) hlajenje. Pogostose v kombinaciji z zra~nim hlajenjem uporabljajo tudi kerami~ne prevleke, s ~imerse povia temperatura vstopnih plinov e za nadaljnjih 100–150 °C. Na sliki 5.6. jeprikazan pregled razvoja na podro~ju zvievanja temperature plinov na vstopu vturbino. Pri novejih plinskih turbinah je ta temperatura okrog 1500 °C, tlak od 15bar do 20 bar (pri izvedbah s ponovnim gretjem tudi do 32 bar), dejanski izkoristekpa od 34 % do 39 %. Vije temperature omejujejo dragi in premalo vzdr`ljivimateriali za prvi venec turbinskih lopatic.

Regenerativno gretje delovne snovi

Nadalje je mogo~e srednjo temperaturo dovoda toplote zvievati – podobno kot priparnem kro`nem procesu – z regenerativnim gretjem delovne snovi v posebnemprenosniku toplote, ki izkori~a toploto izpunih plinov iz plinske turbine. So~asnose s tem zniùje srednja temperatura odvoda toplote.

Slika 5.7 prikazuje regenerativno gretje pri plinskem kro`nem procesu, pri tem jeizkori~enost grelnika definirana s stopnjo regeneracije:

ρ =−−

T T

T T3 2

5 2

(5.23)

Plinski kro`ni proces brez regeneracije: ρ = 0, T3 = T2

plinski kro`ni proces s popolno regeneracijo: ρ = 1, T5 = T3

prakti~ne vrednosti: 0,5 < ρ < 0,8


Slika 5.7. Princip regenerativnega gretja zraka pri plinskem kro`nem procesu

Termi~ni izkoristek se z regeneracijo toplote pove~a:

ηi =− − −

−>

− − −−

( ) ( )

( )

( ) ( )

( )

T T T T

T T

T T T T

T T4 5 2 1

4 3

4 5 2 1

4 2

(5.24)

Za teoreti~ni primer popolne regeneracije velja:

T5 = T3 in T6 = T2

pri tem je termi~ni izkoristek:

ηt = −−−

= −−−

1 12 1

4 3

2 1

4 5

( )

( )

( )

( )

T T

T T

T T

T T(5.25)

Z upotevanjem ena~be (5.7) dobimo:

η πκ

κt = − = − ⋅

−

1 11

5

1

4

1T

T

T

T(5.26)

Rezultate, izra~unane po tej ena~bi, prikazuje diagram, slika 5.8: termi~ni izko-ristek nara~a z nara~ajo~o temperaturo delovne snovi na vstopu v turbino T4 inpada z nara~ajo~im tla~nim razmerjem π. ê regeneracije nimamo, potemtermi~ni izkoristek z nara~ajo~im razmerjem π nara~a, slika 5.4 (krivulja za ηiT,ηiK, ηm = 1).

Dejansko ima regenerativni grelnik zraka kon~no veliko povrino (in ne neskon~noveliko), zato velja:

T5 > T3 in T6 > T2


Slika 5.8. Termi~ni izkoristek plinskega kro`nega procesa s popolno regenera-cijo v odvisnosti od tla~nega razmerja

Ponovno gretje in/ali hlajenje delovne snoviNadaljnja mo`nost, da se izbolja termi~ni izkoristek plinskega kro`nega procesa,je ponovno gretje in/ali hlajenje delovne snovi, slika 5.9. Kompresija poteka v ve~kompresorjih, za vsakim kompresorjem je potrebno hlajenje delovne snovi. Tudiekspanzija poteka v ve~ turbinah, vsaka turbina ima svoj gorilnik. Gospodarskoupravi~eni sta le dve do tri stopnje; pri nadaljnjem pove~evanju stopenj se termi~niizkoristek pove~uje vedno manj, plinski postroj postaja vse bolj kompliciran, manjzanesljiv v obratovanju, dra`ji in manj gospodaren. ê je teh stopenj neskon~no,potem se tak proces priblià kro`nemu procesu, ki poteka med dvema izotermama


Slika 5.9. Plinski kro`ni proces s ponovnim gretjem in ponovnim hlajenjemdelovne snovi ter shema postroja

in dvema izobarama. ê je pri tem predvideno e regenerativno gretje delovnesnovi, potem postane termi~ni izkoristek enak Carnotovemu:

ηtod

do

mod

mdo

= − = −1 1Q

Q

T

T(5.27)

Delne izvedbe opisanega plinskega kro`nega procesa je è mogo~e najti prisodobnih plinskih postrojih.

Dodajanje vode v plinski kro`ni proces

Izboljanje termi~nega izkoristka plinskega kro`nega procesa je mogo~e dose~itudi na druge na~ine, ki so se pojavili v najnovejem ~asu, niso pa e vsi zreli zaprakti~no uporabo. Predvsem gre razvoj plinskih postrojev v smeri zvievanjatemperature dovoda toplote in v smeri vbrizgavanja vode ali vodne pare v kro`niplinski proces. Poznane so razli~ne mo`nosti vbrizgavanja vode:

– vbrizgavanje vodne pare v gorilnik

– razprevanje vode v kompresor

– vlaènje zraka pred kompresorjem.

Vbrizgavanje vodne pare v gorilnik

Slika 5.10 prikazuje shemo odprtega plinskega postroja z neposrednim vbrizga-vanjem vodne pare v gorilnik. Navadno se uporablja pri tem standardne plinsketurbine, zato koli~ina vbrizgane vode ne presega 7 % koli~ine delovne snovi. Takose pove~a mo~ plinske turbine, so~asno se hladi prvi venec turbinskih lopatic. Zara-di ni`jih temperatur v gorilniku, ki so posledica vbrizgavanja vode, se bistvenozmanjuje tudi tvorjenje duikovih oksidov. V Termoelektrarni Brestanica obratu-jeta dva taka sodobna plinska postroja elektri~ne mo~i 2 × 114 MW. Z dovajanjemvode v kro`ni proces se delovni snovi ob~utno pove~a specifi~na entalpija, kar imaza posledico è omenjeno pove~anje mo~i, toda po drugi strani se pove~a tudientalpija izstopnih plinov. Taka postrojenja imajo navadno prigrajen regenerativniprenosnik toplote, slika 5.10. Vbrizgana para se z izpunimi plini izgublja vokolico, zato jo je potrebno nadome~ati s sveò, kemi~no pripravljeno. Del vodeiz izpunih plinov lahko v dodatnem prenosniku kondenziramo in vrnemo v proces.

Razprevanje vode v kompresor

Pri postroju s ponovnim hlajenjem delovne snovi zniùjemo temperaturo odvodatoplote in s tem pove~ujemo termi~ni izkoristek. Izvedba takne reitve pove~uje inpodraì postroj ter zmanjuje zanesljivost obratovanja. Funkcijo vmesnega hlajenjain pove~evanja specifi~ne toplote plinov zdruìmo z razprevanjem vode medposamezne kompresorske stopnje. Takna kompresija se pribliùje izotermni inomogo~a ve~ja tla~na razmerja ter bolje izkori~anje regeneracije toplote, slika5.11.


Vlaènje zraka pred kompresorjemNajenostavneja reitev, ki omogo~a uporabo è obstoje~ih plinskih postrojev, jevlaènje zraka pred vstopom v kompresor, kot je prikazano na sliki 5.12. Pri takniizvedbi vlaènja je pomembno zmanjevanje vstopnih preto~nih uporov vvlaìlniku in izlo~evanje kapljic pred vstopom v kompresor. Pri obstoje~ih plinskihturbinah se tako pove~a prosta mo~ do 3,5 %. Kemi~no pripravljena voda, ki sedodaja zraku, se z dimnimi plini odvaja iz procesa in jo je treba nadome~ati znovo, kar podraì obratovanje.


Slika 5.11. Plinski kro`ni proces z razprevanjem vode v kompresor

Slika 5.10. Plinski kro`ni proces z vbrizgavanjem vodne pare v gorilnik

Primer sodobnega izboljanja plinskega kro`nega procesa

Razvoj sodobnih plinskih postrojev vodi v izvedbe turbin, ki dopu~ajo dodajanjevode, ki presega 20 % koli~ine delovne snovi. Nasprotno od plinsko-parnegapostrojenja samostojna parna turbina ni ve~ potrebna, so~asno pa so izpuni plini iztake enovite plinsko-parne turbine ohlajeni na temperaturo, ki je primerljiva stemperaturo dimnih plinov iz parnih kotlov. Razen tega odlikuje taken enovitproces enostaven in hiter zagon ter irok razpon obratovanja. Slika 5.13 prikazujeshemo, slika 5.14 pa T – s-diagram plinske termoelektrane, ki ima vse zna~ilnostiklasi~nega plinsko-parnega postrojenja, vendar pa samo enovito plinsko-parnoturbino.

Zrak iz okolice se komprimira v dveh kompresorjih (A1 in A2), vsaka stopnja imaprigrajen prenosnik toplote (B1 in B2), ki hladi komprimirani zrak, da sekompresija ~im bolj priblià izotermni kompresiji. Ohlajen zrak se v posebnemvlaìlniku (C) segreje z vodo in navlaì tako, da je doseèna najve~ja mogo~a rela-tivna vla`nost ϕ = 1. Komprimiran in delno segret zrak se nato v regenerativnemgrelniku zraka (^) pred vstopom v gorilnik (D) e dodatno segreje in natoekspandira v enoviti plinsko-parni turbini (E). Izpuni plini oddajo svojo toploto vregenerativnem grelniku zraka (^), ki je bil è omenjen, in nato e v regene-rativnem grelniku vode (F). V posebnem lo~evalniku (G) oddajo kondenzat in natoohlajeni in osueni vstopajo skozi dimnik (H) v okolico. Voda, ki mora bitikemi~no ustrezno pripravljena, se zbira v rezervoarju kondenzata (I). ^rpalki (J1 inJ2) ga tla~ita v dveh lo~enih vejah v è omenjeni vlaìlnik komprimiranega zraka(C).


Slika 5.12. Plinski kro`ni proces z vlaènjem zraka pred vstopom v kompresor

Izra~uni so pokazali, da je s takim postrojenjem mogo~e dose~i e bolji skupniizkoristek kot pa s klasi~nim plinsko-parnim postrojenjem. Prav tako kaèjoekonomski izra~uni, da so stroki postavitve takega postrojenja primerljivi s strokipostavitve klasi~nega plinsko-parnega postrojenja.

Povezovanje plinskega in parnega kro`nega procesaSrednjo temperaturo odvoda toplote iz procesa lahko zniàmo tudi tako, da izpunepline iz plinske turbine vodimo v prenosnik toplote – utilizator, kjer toplotokoristno uporabimo za gretje in uparjanje neke druge delovne snovi, navadno vode.Vodno paro uporabimo najve~krat za parni kro`ni proces. Tak plinsko-parni procesje zaradi pomembnosti obravnavan v posebnem poglavju.


Slika 5.13. Plinsko postrojenje z vbrizgavanjem velike koli~ine vode: A – kom-presorja, B – hladilnika zraka, C – vlaìlnik zraka, ^ – grelnik zraka, D – gorilnik,E – plinsko-parna turbina, F – grelnik kondenzata, G – hladilnik zraka inizlo~evalnik kondenzata, H – dimnik, I – rezervoar kondenzata, J – kondenzatni~rpalkiLegenda:

p / bar h / (kJ/kg)

&m / (kg/s) T / °C

5.3 Glavni sestavni deli

5.3.1 Gorilniki

Pri odprtem plinskem procesu ima gorilnik enako funkcijo kot parni kotel priparnem procesu: dovod toplote v kro`ni proces. V rabi sta dve vrsti gorilnikov:

– ve~ manjih gorilnikov, nanizanih okrog plinske turbine (obro~asti gorilnik),slika 5.15 – levo, podobno kot je to pri letalskih potisnikih in

– skupni gorilnik v valjasti obliki, postavljen pokon~no ob plinski postroj, sli-ka 5.15 – desno.

V gorilniku zgoreva razpreno teko~e ali plinasto gorivo. Sam zgorevalni proces jedruga~en kot pri parnem kotlu: pri kotlu se koli~ina zraka prilagaja gorivu, prigorilniku je nasprotno: koli~ina zraka se med obratovanjem ne spreminja bistveno.V parnem kotlu mora biti razmernik zraka ~im ni`ji λ = 1,05–1,5, v gorilnikuplinske turbine pa je mnogo viji λ = 2–4. Dovajamo samo toliko goriva, da jedoseèna temperatura zgorevanja, koli~ina goriva pa je glede na tok zraka majhna.Visoke temperature povzro~ajo disociacijo zgorelih plinov, s tem pa pospeenotvorjenje duikovih oksidov in – poleg mehanske – tudi veliko toplotno obreme-nitev prvega venca turbinskih lopatic. Zra~ni tok je v gorilniku razdeljen; manjidel (λ = 1,0–1,5) zraka se mea z gorivom v zgorevalnem prostoru gorilnika, ve~jidel zraka pa te~e ob notranjem pla~u in ga hladi, zgorelim plinom pa se pridruìele po kon~anem zgorevanju. Zgorevalni prostor je majhen, kar pomeni, da je


Slika 5.14. T – s-diagram plinskega postrojenja z vbrizgavanjem velike koli~inevode

toplotna obremenitev prostora visoka; pri parnih kotlih je ta obremenitev 0,1–0,9MW/m3, medtem ko je pri gorilnikih za plinske turbine 10–60 MW/m3.

Plini se v plinskem postroju vedejo skoraj kot idealni plini, temperaturo zgorevanjaje mogo~e dobro dolo~iti s h–T-diagramom za dimne pline. Z zgorevanjem gorivaspro~ena toplota preide skoraj popolnoma na vro~i zrak, toplotne izgube v okolicoso zanemarljivo majhne. Vse nepopolnosti zgorevanja so upotevane z izkoristkomgorilnika, ki je: ηGo = 0,96–0,99. Toplotni tok &Qdo , ki ga z gorivom dovajamodelovni snovi, je:

&

&Q m Hdo Go Go i= ⋅ ⋅η (5.28)

5.3.2 Plinske turbine

Za plinske turbine veljajo iste zakonitosti kot za parne. Tudi plinska turbina jestroj, v katerem se na majhnem prostoru in v kratkem ~asu pretvori veliko toplote vmehansko delo. Lastnosti delovne snovi so seveda druga~ne, druga~ne so tuditermodinami~ne veli~ine na vstopu in izstopu iz turbine. Plinske turbine z odprtimkro`nim procesom imajo na razpolago polovico manjo specifi~no entalpijskorazliko kot parne, prav tako je specifi~na toplota zraka polovico manja odspecifi~ne toplote vodne pare, medtem ko so temperaturne razlike pri plinski (npr.1200 °C – 540 °C = 660 K) in pri parni turbini (na primer: 560 °C – 33 °C = 527 K)


Slika 5.15. Gorilnik za plinsko turbino: levo – obro~asti gorilnik; desno – skupnigorilnik: A – dovod goriva, B – dovod zraka, C – vìgalna naprava, ^ – oba zagorivo, D – notranji pla~, E – zunanji pla~, F – odprtine za mealni zrak, G –izhod vro~ih plinov

v enakem velikostnem redu. Glede na to potrebuje plinska turbina za enakonotranjo mo~ dvakrat ve~ji masni tok delovne snovi kot parna turbina. ê paupotevamo, da je koristna mo~ plinskega postroja le okrog 1/2 do 1/3 mo~iturbine, potem so masni tokovi plinskega postroja v razmerju z masnimi tokoviparnega postrojenja enake mo~i v razmerju 5 : 1. Kljub temu pa imamo pri plinskihturbinah manj teàv s preto~nimi prerezi, saj se specifi~na prostornina plina pritoku skozi turbino spreminja precej manj kot pa specifi~na prostornina vodne pare.

Bolje lastnosti kot zrak ima helij. Njegova specifi~na toplota je 5-krat, zvo~nahitrost 3-krat in toplotna prehodnost 2-krat ve~ja kot pri zraku. Zaradi tega sodimenzije plinske turbine in prenosnikov toplote za helij pri enaki mo~i precejmanje kot pri zraku. Plinski postroji z helijem so zaprti, v uporabi so na primer priplinsko hlajenih jedrskih reaktorjih.

Preglednica 5.1. prikazuje primerjavo nekaterih zna~ilnih pokazateljev za plinskoin parno turbino.

Preglednica 5.1. Zna~ilna razmerja med vstopnimi in izstopnimi veli~inami zaplinsko turbino z odprtim procesom in za kondenzacijsko parno turbino,oznake po sl. 5.2

Razmerje Plinska turbina Parna turbina

p4 : p5 16 : 1 3600 : 1

T4 : T5 2,2 : 1 17 : 1

v4 : v5 1 : 8,5 1 : 1475

Mo~ plinskega postroja z odprtim kro`nim procesom je najenostavneje krmiliti sspreminjanjem vstopne temperature v turbino. Ta regulacija se imenuje tempe-raturna regulacija. To doseèmo s spreminjanjem koli~ine goriva, medtem koostane masni tok zraka nespremenjen, slika 5.16. Mo~ kompresorja je konstantna,spreminja se samo mo~ plinske turbine in s tem prosta mo~ postroja.

Pri sodobnih postrojih pa je mo~ postroja mo`no krmiliti s kombinacijo spre-minjanja pretoka in vstopne temperature plinov v plinsko turbino. Govorimo okombinirani – koli~inski in temperaturni regulaciji. Pretok se spreminja sspreminjanjem vrtilne hitrosti in so~asnim nastavljanjem poloàja (kota) vodilnihlopatic v prvih stopnjah kompresorja, vstopna temperatura v turbino pa s koli~inogoriva. Navadno je vstopna temperatura plinov v turbino enaka imenski in je pridelnih obremenitvah (vse do 40 % imenske mo~i) regulirana s pretokom zrakaskozi kompresor. Nadaljnje zmanjanje mo~i je mogo~e dose~i le e z znièvanjemtemperature plinov, saj masnega toka zaradi nestabilnega delovanja kompresorja nive~ mogo~e zmanjevati. Na tem primeru vidimo, da morata biti obratovalnikarakteristiki turbine in kompresorja med seboj uglaeni.

Mo~ plinskega postroja z zaprtim kro`nim procesom se menja – enako kot priparnih in pri vodnih postrojenjih – s spreminjanjem masnega toka v plinski turbini,medtem ko ostaneta temperatura in tlak nespremenjena. Ta regulacija se imenujekoli~inska regulacija.


Plinske turbine imajo vedno polni natok, regulacijska stopnja ni potrebna, saj mo~menjamo s spreminjanjem dovoda goriva. Tako niso potrebni regulacijski ventili.Plinske turbine imajo malo stopenj, najve~krat tri do pet, njihov notranji izkoristekje velik: ηiT = 0,89–0,94.

Plinske turbine imajo e veliko razvojnih mo`nosti, njihov pomen se bo v prihod-nje e krepil.

5.3.3 Kompresorji

Za plinske turbine velja: velike preto~ne koli~ine delovne snovi in srednji tlaki. Tejzahtevi ustrezajo ve~stopenjski aksialni turbinski kompresorji, ki so po svojizgradbi podobni nadtla~nim turbinam. Vendar pa v kompresorski stopnji zaradipojemajo~ega relativnega toka ni mogo~e dose~i tako velikih tla~nih razmerij kot vturbinski stopnji. V plinskem postroju je zato bistveno ve~ kompresorskih stopenjkot v turbinskih, kompresor je zato tudi konstrukcijsko ve~ji od plinske turbine.

Ker so s tevilom stopenj kompresorja povezane notranje izgube, gre razvojaksialnih kompresorjev predvsem v smeri pove~evanja tla~nih razmerij kom-presorske stopnje πSt. Sodobni kompresorji obratujejo pri nadkriti~nih relativnihMachovih tevilih, imajo prostorsko oblikovane lopatice in nastavljivi kot lopatic vprvih vencih vodilnika. Tla~na razmerja v kompresorski stopnji so πSt = 1,5 in ve~in notranji izkoristek celotnega kompresorja je ηik = 0,9, slika 5.17.

Pri malih plinskih turbinah pridejo v potev tudi radialni turbinski kompresorji, kiso mnogo enostavneji in ceneji.


Slika 5.16. Temperaturna regulacija mo~i plinske turbine

5.3.4 Regenerativni grelniki

Namen regenerativnega gretja delovne snovi je enak kot pri parnih postrojenjih,namre~: izboljati termi~ni izkoristek. V rabi so cevni in pla~ni prenosniki toplote.Pri cevnih prenosnikih te~ejo izpuni plini iz plinske turbine skozi cevi premeraokrog 25 mm, medtem ko te~e delovna snov, ki jo èlimo ogreti, okrog cevi, slika5.18.

Toplotni prera~un je enostaven, saj imamo na eni in na drugi strani prenosnikatoplote delovno snov skoraj enakih lastnosti, prav tako sta na obeh straneh skorajenaki preto~ni koli~ini. Ker je toplotna prehodnost pri plinih nizka k = (60 –120)W/(m2·K), mora imeti regenerativni grelnik veliko ogrevalno povrino, zato jetreba skrbno prera~unati, kdaj je tak prenosnik toplote sploh gospodarsko upra-vi~en.

Temperatura stisnjenih plinov iz kompresorja je okrog 300 °C, zato izpunih plinoviz plinske turbine ni mogo~e ohladiti dosti pod to temperaturo. Temperaturo tehizpunih plinov je mogo~e zniàti na 150 °C do 90 °C (odvisno od vsebnosti `vepla


Slika 5.17. Primerjava velikosti aksialnih kompresorjev za enako celotno tla~norazmerje in enak masni tok

v gorivu) samo, ~e z njimi grejemo neko drugo delovno snov zunaj plinskegakro`nega procesa.

5.4 Plinsko-parni proces

Pri odprtem plinskem kro`nem procesu se kon~a ekspanzija izpunih plinov pritemperaturah, pri katerih se pri parnem kro`nem procesu ekspanzija pare eleza~enja. Zato je razumljivo, da prinaa povezava obeh kro`nih procesov vsestavljeni plinsko-parni proces ob~utno izboljanje termi~nega in s tem celotnegaizkoristka. V takem sestavljenem postrojenju se namre~ toplota dovaja pri vijisrednji temperaturi kot pri enostavnem parnem kro`nem procesu. Prav tako seodvaja toplota iz sestavljenega postrojenja pri ni`ji srednji temperaturi, kot je prienostavnem plinskem kro`nem procesu. Sestavljeno plinsko-parno postrojenjemora seveda delovati, ~etudi preneha obratovati parni del, zato je regulacija takegapostrojenja obse`na in draga. Sodobni plinsko-parni procesi dosegajo izkoristkenad 55 %, toda prigraditev parnega procesa plinskemu je draga, parni proces


Slika 5.18. Regenerativni grelnik: A – vstop zraka, B – izstop zraka, C – vstopizpunih plinov iz turbine, ^ – izstop izpunih plinov iz turbine

pomeni namre~ do 2/3 investicijskih strokov celotne investicije, ustvari pa le 1/3dodatne elektri~ne mo~i.

Pri sestavljenem plinsko-parnem postrojenju te~ejo izpuni plini iz plinske turbinev poseben prenosnik toplote – utilizator. Izpuni plini v utilizatorju dogrevajo,uparjajo in pregrevajo napajalno vodo v parnem procesu. ê plini iz plinske turbinenimajo dovolj visoke temperature, je utilizatorju prigrajen gorilnik za dogrevanjeteh plinov. S tem se lahko pove~a skupni izkoristek, obenem pa se draì postro-jenje. Napajalna voda iz parnega procesa te~e – enako kot pri parnih kotlih – vceveh utilizatorja v eni, dveh ali treh razli~nih tla~nih stopnjah, izpuni plini izplinske turbine pa v protismeri okrog cevi. Tako plinsko-parno postrojenje obratujev Termoelektrarni Brestanica od leta 1975. Postavitev sestavljenega plinsko-parnega postrojenja je tedaj pomenila lep tehni~ni doseèk, danes pa je postrojenjezastarelo.

Izpune pline iz plinske turbine pa je v splonem mogo~e koristno uporabiti na ve~na~inov:

• Ekspandirani plini so bogati s kisikom in se lahko rabijo kot predgreti zrak prizgorevanju fosilnih goriv v parnih kotlih; s tem se ob~utno pove~a izkoristekpostrojenja.

• Delno ekspandirani plini se lahko rabijo kot komprimirani in predgreti zrak prizgorevanju fosilnih goriv v parnih kotlih, ki delujejo pri vijih tlakih odatmosferskega; ta mo`nost je na primer zanimiva pri tla~nem zgorevanju vparnih kotlih na lebde~o plast.

• Ekspandirani plini se uporabljajo za regenerativno gretje parnega kro`negaprocesa; ta ukrep je gospodaren zlasti pri posodabljanju è obstoje~ih velikihparnih postrojenj. Govorimo o parnem kro`nem procesu s prigrajenim plinskimkro`nim procesom.

• Ekspandirani plini imajo visoko temperaturo, zato se najve~krat uporabljajo vutilizatorju za proizvodnjo pare za pogon parne turbine, manjkrat zaproizvodnjo pare v razli~nih tehnolokih procesih. Govorimo o plinskemkro`nem procesu s prigrajenim parnim kro`nim procesom.

172 PLINSKO-PARNI PROCES

5.4.1 Plinski kro`ni proces s prigrajenim parnim kro`nim procesom

Toplota se z izpunih plinov iz plinskega kro`nega procesa prenaa na parnega vutilizatorju. Temperaturne razmere v enostavnem, enostopenjskem utilizatorjuprikazuje slika 5.19, shemo sestavljenega plinsko-parnega procesa pa slika 5.20.Kon~no so v preglednici 5.2 navedene e izkustvene vrednosti za najmanje tem-peraturne razlike med izpunimi plini in vodo oz. vodno paro.

Preglednica 5.2. Pribli`ne vrednosti za temperaturne razlike v utilizatorju medizpunimi plini ter vodo oz. vodno paro

Temperaturaizpunih plinov

∆Tmin / °C∆Tα / °C

Gladke cevi Rebri~aste cevi

400–650 °C 45–70 5–15 5–20

650–1000 °C 70–80 15–30 25–40


Slika 5.19. Potek temperatur v enostopenjskem utilizatorju

V enostopenjskem utilizatorju poteka dovod toplote v eni tla~ni stopnji, zato jetemperaturna razlika in z njo povezane nepovra~ljivosti pri prenosu toplote rela-tivno velika; ~rtkano podro~je na sliki 5.19. Sodobni utilizatorji so zato izvedenitako, da poteka uparjanje v dveh ali treh tla~nih stopnjah, s ~imer se zmanjatemperaturna razlika pri prenosu toplote in pove~a termi~ni izkoristek procesa.Temperaturne razmere v tristopenjskem utilizatorju so prikazane na sliki 5.21, she-ma pa na sliki 5.22. Kot je razvidno s slike 5.22, se masni tok pare od visokotla~nedo nizkotla~ne parne turbine pove~uje, zato mora biti nizkotla~ni del parne turbineve~ji kot pri primerljivih klasi~nih odjemno-kondenzacijskih turbinah.


Slika 5.20. Plinsko-parni proces in shema plinsko-parnega postrojenja

Podobno kot se izra~unava termi~ni izkoristek plinskega ali parnega kro`negaprocesa, je mogo~e izra~unati tudi termi~ni izkoristek sestavljenega plinsko-parnega procesa. Izkoristek je tudi v tem primeru enak razmerju med prosto mo~join dovedenim toplotnim tokom:

ηtP1 Pa

do

P1 Pa

doP1 doPa

P1 Pa

doP1 d

=+

=++

=++

W W

Q

W W

Q Q

P P

Q Q& &

oPa

P1 Pa

do

=+P P

Q&(5.29)

V splonem dovajamo gorivo posebej za plinski in posebej za parni del postrojenja.ê imajo izpuni plini iz plinske turbine dovolj visoko temperaturo, dodatno gorivoza parni del ni potrebno: &QdoPa = 0

Termi~ni izkoristek plinskega kro`nega procesa:

ηtP1

doP1

doP1 odP1

doP1

= =−P

Q

Q Q

Q&

& &

&

(5.30)

Izkoristek utilizatorja:

ηUdoP1 doPa DP

odP1 doPa

=+ −

+

& & &

& &

Q Q Q

Q Q(5.31)

pri tem so &QDP toplotne izgube izpunih plinov, ki gredo iz utilizatorja v okolico.


Slika 5.21. Temperaturne razmere v tristopenjskem utilizatorju: A – nizkotla~nigrelnik; B – nizkotla~ni uparjalnik; C – nizkotla~ni pregrevalnik; ^ – srednje-tla~ni grelnik; D – srednjetla~ni uparjalnik; E – srednjetla~ni pregrevalnik; F –visokotla~ni grelnik; G – visokotla~ni uparjalnik; H – visokotla~ni pregrevalnik

Termi~ni izkoristek parnega kro`nega procesa z upotevanjem izkoristka utili-zatorja:

ηηtPa

Pa

odP1 doPa DP

Pa

odP1 doPa U

=+ −

=+ ⋅

P

Q Q Q

P

Q Q& & & ( & & )(5.32)

Glede na ena~bo (5.29) velja:

& & &Q Q QdoPa do doP1= − (5.33)

Iz ena~be (5.30) dobimo:

P QP1 tP1 doP1= ⋅η & (5.34)


Slika 5.22. Kombinirani plinsko-parni kro`ni proces s tristopenjskim utiliza-torjem: A – nizkotla~ni grelnik; B – nizkotla~ni uparjalnik; C – nizkotla~nipregrevalnik; ^ – srednjetla~ni grelnik; D – srednjetla~ni uparjalnik; E –srednjetla~ni pregrevalnik; F – visokotla~ni grelnik; G – visokotla~ni uparjalnik;H – visokotla~ni pregrevalnik

& & &Q Q QodP1 doP1 tP1 doP1= − ⋅η (5.35)

Iz ena~b (5.32), (5.33) in (5.35) izhaja:

P Q QPa tPa U odP1 doP1= ⋅ ⋅ +η η ( & & ) =

= η η ηtPa U doP1 tP1 doP1 do doP1⋅ ⋅ − ⋅ + −( & & & & )Q Q Q Q =

= η η η η ηtPa U do tPa tP1 U doP1⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅& &Q Q (5.36)

ê vstavimo ena~bi (5.34) in (5.36) v osnovno ena~bo za izkoristek plinsko-parnega procesa, ena~ba (5.29), dobimo:

η η η η η η ηt tP1doP1

do

tPa U tPa tP1 UdoP1

do

= ⋅ + ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅&

&

&

&

Q

Q

Q

Q

η η η η η ηt tPa U tP1 tPa UdoP1

do

= ⋅ + ⋅ − ⋅ ⋅( )&

&

1Q

Q(5.37)

Za sestavljeno plinsko-parno postrojenje, kjer so znani izkoristki ηtPa, ηtP1 in ηU,nara~a termi~ni izkoristek ηt premo sorazmerno z razmerjem &QdoP1 / &Qdo in doseè

maksimum pri &QdoP1 / &Qdo = 1. Do tega pride, ~e dogrevanje izpunih plinov iz plin-


Slika 5.23. Izkoristki razli~nih plinskih in parnih procesov (lastna raba upo-tevana): A – Carnotov izkoristek kro`nega procesa, B – tla~novodni in vrelnijedrski reaktor, C – parni proces z upotevanjem ~istilnih naprav, ^ – zgo-revanje v lebde~i plasti pri vijih tlakih, D – plinsko-parni proces, E – pranatozgorevanje pri vijih tlakih, F – integrirani plinsko-parni proces z vplinjanjempremoga, G – plinski proces

ske turbine ni potrebno. Iz ena~be (5.31) je nadalje razvidno, da sta izkoristekutilizatorja in dogrevanje izpunih plinov med seboj povezani veli~ini.

K dobrem termi~nem izkoristku sestavljenega postrojenja prispevata najve~ visokizkoristek parnega kro`nega procesa ηtPa in izkoristek utilizatorja ηU. Drugi delena~be (5.37) je zmnoèk ve~ veli~in, od katerih so tri vedno manje od ena, zato jeprispevek drugega dela te ena~be manji. Nadalje je iz ena~be razvidno, da nara~aηt linearno z ηtPl. V nadaljevanju so navedene e mejne vrednosti za ena~bo (5.29).

Enostavni plinski proces, brez parnega:&QdoPa = 0 &Qdo = &QdoPa ηtPa = 0 ηt = ηtPl

Enostavni parni proces, brez plinskega:&QdoP1 = 0 &Qdo = &QdoP1 ηtPl = 0 ηt = ηtPa

Plinsko-parni proces brez dogrevanja izpunih plinov, ena~ba (5.37) se poenostavi:&QdoPa = 0 &Qdo = &QdoPa ηU = 0 ηt = ηtPa + ηtPl – ηtPa·ηtPl (5.38)

Dejanski izkoristek sestavljenega plinsko-parnega postrojenja ηe, kjer so upote-vane povpre~ne letne vrednosti in tudi vsi drugi izkoristki, je seveda manji, vendarje è dosegel vrednosti ηe = 0,6. Zaradi velikega izkoristka se sestavljenemuplinsko-parnemu procesu obeta lepa prihodnost, slika 5.23.

5.4.2 Parni kro`ni proces s prigrajenim plinskim kro`nim procesom

Toploto izpunih plinov je mogo~e uporabiti tudi za regenerativno gretje napajalnevode v parnem kro`nem procesu. V tem primeru je treba za enako mo~ parneturbine proizvesti manj pare v parnem kotlu, saj so odjemi iz parne turbine za rege-nerativno gretje zaprti in vsa para ekspandira do stanja v kondenzatorju. Izpunepline iz plinskega procesa je mogo~e ohlajati do temperature 80 °C, zato jeregeneracija toplote u~inkovita. Plinski del postrojenja se lahko prigradi obstoje~iklasi~ni termoelektrarni z relativno nizkimi stroki, pri ~emer se pove~a mo~postrojenja do 50 % in izbolja izkoristek do 8 %. V primeru izpada kateregakoliod obeh delov postrojenja drugi obratuje samostojno. Slika 5.24 prikazuje shemotakega postrojenja.

Plini iz plinske turbine oddajo pri ohlajanju toploto (povrina pod krivuljo 4-5-6)napajalni vodi parnega kro`nega procesa (povrina pod krivuljo 11-12-13-14-15).V T-s-diagramu na sliki 5.24 se povrini pod omenjenima krivuljama kljubenakosti preneenih toplotnih tokov ne ujemata zaradi razlik v masnih tokovih inspecifi~nih toplotah delovnih snovi (plin, voda) v obeh kro`nih procesih.



Slika 5.24. Plinsko-parni proces in shema plinsko-parnega postrojenja

5.5 Plinska elektrarna in okolje

Plinske termoelektrarne e desetletja ne bodo izgubile svoje pomembnosti, enakokot ne bodo izgubile pomembnosti klasi~ne in jedrske termoelektrarne. Razvojplinskih termoelektrarn gre v smeri vijih parametrov delovne snovi in s tempredvsem v smeri iskanja ustreznih materialov za prvo stopnjo turbinskih lopatic,ki morajo zdràti temperaturo 1400 °C in ve~. Pri~akovati pa je mogo~e tudi ve~izboljav samega plinskega kro`nega procesa, ki so danes e v povojih. Bistveno sebo pove~al izkoristek postrojenja, e naprej se bo ve~ala tudi elektri~na mo~.Plinski postroji imajo prihodnost predvsem v povezavi s parnimi postrojenji, kjer jeprav tako mogo~e pri~akovati e nove tehni~ne reitve.

Cilj vseh teh tehni~nih naporov pa ni samo bolje izkori~anje primarne energije,ampak tudi manja obremenitev okolja.

Masna in energijska bilanca plinske elektrarne po sliki 5.25:

& & &m m mGo Z D+ = (5.39)

& & &

&m H m h m h Q PGo i Z Z D D⋅ + ⋅ = ⋅ + +1 (5.40)

Iz obeh bilanc izhaja, da odteka v okolico:

– masni tok izpunih plinov &mD

– toplotni tok izpunih plinov ( &m hD D⋅ ) in toplotni tok &Q1 , ki ga povzro~ajo razli~nedruge izgube.

V primerjavi z parno termoelektrarno na fosilna goriva, slika 3.54, ni ne pepela, nehladilne vode, vsa toplota je vsebovana v izpunih plinih samih ( &Qod = &m hD D⋅ ). Tiplini imajo temperaturo okrog 500 °C in jih je mogo~e koristno uporabiti. Imajoveliko kisika, vsebujejo pa – enako kot dimni plini pri parnih elektrarnah –produkte zgorevanja, ki so kodljivi okolju, predvsem CO2 in NOX. Kot jeomenjeno v poglavju 3.4, se pri zgorevanju fosilnih goriv: ~rni premog, rjavipremog, nafta, zemeljski plin, na enoto proizvedene energije spro~ajo koli~ineCO2 v razmerju 100 : 121 : 88 : 58. Pri plinskem postroju se torej spro~a pribli`nodvakrat manj ogljikovega dvokisa kot pri enako mo~nem parnem postrojenju, ki jekurjen z rjavim premogom. Visoke temperature zgorevanja povzro~ajo pri plin-skem postroju visoko vsebnost NOX (od 100 µg/g do 300 µg/g) v izpunih plinih.Visoko vsebnost duikovih oksidov je mogo~e ob~utno zmanjati z vbrizgavanjempare ali vode v vro~e pline pred vstopom v plinsko turbino. Tako doseènevrednosti za NOX (od 40 µg/g do 100 µg/g) so manje kot pri fosilnih elektrarnahenake mo~i.

ê se v plinskem postroju kuri teko~e gorivo, potem je treba ra~unati e z emisijoSO2. ê pa gre za zemeljski plin, je vsebnost SO2 v izpunih plinih prakti~nozanemarljiva.

180 PLINSKA ELEKTRARNA IN OKOLJE

Preglednica 5.3 prikazuje okolju kodljive snovi, ki prihajajo iz razli~nih vrst ter-moelektrarn. Raziskave za Slovenijo so pokazale, da prispevajo najve~je koli~inepranih delcev gospodinjstva, najve~je koli~ine CO2 in SO2 industrija in velikeelektrarne ter najve~je koli~ine NOX promet.

Preglednica 5.3. Okolju kodljive snovi, ki nastajajo pri pretvarjanju primarneenergije v sekundarno

Nosilec primarne energije Prah CO2 NOX SO2 CmHn Sevanje

Premog P P P P P P

Surova nafta P P P P

Zemeljski plin P P

Jedrsko gorivo P


Slika 5.25. Masni in energijski tokovi pri plinski elektrarni

182 PLINSKA ELEKTRARNA IN OKOLJE

6SOPROIZVODNJA ELEKTRI^NE

ENERGIJE IN TOPLOTE

Poglavje obravnava osnove so~asne proizvodnje elektri~ne energije in toplote vtoplotnih postrojenjih. Prikazuje glavne razlike med termoelektrarno in toplarno.

V elektrarni se iz fosilnega ali jedrskega goriva proizvaja elektri~na energija. ê jetoplotno postrojenje namenjeno so~asni proizvodnji elektri~ne energije in toplote,potem se imenuje tako postrojenje toplarna. Postrojenje, ki proizvaja samo toploto,se imenuje kotlarna.

6.1 Zna~ilnosti

Pri so~asni proizvodnji elektri~ne energije in toplote je sprememba primarneenergije v sekundarno in naprej v kon~no energijo zelo dobra: dejansko se od 75 %do 90 % primarne energije spremeni v èleno obliko in le od 25 % do 10 % teenergije odide po nepravi poti (torej neizkori~ena) v okolico. Soproizvodnjaelektri~ne energije in toplote je v na~elu mogo~a s toplotnimi pogonskimi stroji;glavni predstavniki so parne in plinske turbine ter motorji z notranjim zgore-vanjem.

Najpogosteje so toplarne s parnim kro`nim procesom, pri tem je toplotaproizvedena v parnem kotlu in zelo redko v jedrskem reaktorju. Glavni vzrok, dajedrske toplarne niso bolj razirjene, je dejstvo, da so jedrska postrojenja postav-

ljena pro~ od ve~jih in gosto naseljenih krajev. Za proizvodnjo vrne toplote soprimerne toplarne s plinskim kro`nim procesom in stacionarni motorji z notranjimzgorevanjem. Ti pogonski stroji proizvajajo elektri~no energijo, izpuni plini pa seuporabljajo za proizvodnjo toplote. Za elektri~ne mo~i nad 10 MW so primerneplinske turbine, za manje mo~i do nekaj megawattov pa motorji z notranjimzgorevanjem.

So~asna proizvodnja elektri~ne energije in toplote pridobiva pomen po svetu in vSloveniji. Ima odli~en celotni izkoristek pretvorbe primarne energije v sekundarno,zahteva pa veliko gostoto odjema toplote, sicer postane dvomljiva gospodarnostgradnje toplotnega omre`ja.

6.1.1 Soproizvodnja s parnimi turbinami

Soproizvodnja elektri~ne energije in toplote s parnim kro`nim procesom je najboljrazirjena in za ve~je mo~i tudi gospodarsko najbolj upravi~ena.

Razmerje med razliko entalpij Dh / (kJ/kg), ki je na razpolago za ekspanzijo pare vturbini, in kondenzacijsko toploto ekspandirane pare x · r / (kJ/kg), ki odteka skozikondenzator v okolico, je pri vodni pari in pri vseh drugih snoveh, ki so primerneza parni kro`ni proces, neugodno. Orientacijske vrednosti za vodno paro so:

Dh ≈ 1100 kJ/kg (enostavna postrojenja)

1500 kJ/kg (postrojenja s ponovnim pregrevanjem pare)

x · r ≈ 2150 kJ/kg (enostavna postrojenja)

2260 kJ/kg (postrojenja s ponovnim pregrevanjem pare).

Za vsak proizvedeni kilojoule elektri~ne energije je treba odvesti iz kro`negaprocesa pribli`no od 1,5 kJ do 2 kJ toplote. Zato se je è zgodaj porodila misel, dapara v turbini ne bi ekspandirala do temperature okolice (to je do temperaturehladilne vode), ampak do neke vije temperature. Poenostavljen primer prikazujeslika 6.1: turbinska para se kondenzira pri temperaturi 100 °C in odda svojo toploto"hladilni vodi" (to je ogrevalni vodi za toplovodno omre`je), pri tem se ta "hladilnavoda" segreje od 50 °C do 90 °C (za primerjavo: hladilna voda se v kondenzatorjusegreje le od 8 °C do 15 °C). Proizvodnja elektri~ne energije je manja (Dh = 850kJ/kg namesto prvotnih 1150 kJ/kg). Dejansko se elektri~na mo~ pri imenskiobremenitvi parne turbine zmanja za okrog 15 % oziroma v letnem povpre~ju zamanj kot 10 %, toda iz kro`nega procesa odvedena toplota (x · r = 2180 kJ/kg) jekoristno uporabljena za ogrevanje prostorov ali za industrijske tehnoloke procese.Nosilec ogrevalne toplote je navadno vro~a voda ali vodna para.

Soproizvodnja elektri~ne energije in toplote s parnim kro`nim procesom ima vceloti gledano velike prednosti:

• v primerjavi z lo~eno proizvodnjo elektri~ne energije in toplote je prihranek prigorivu od 1/4 do 1/3;

• mogo~a je uporaba najslabih vrst goriva, na primer premoga z veliko jalovineali smeti, kar sicer pri individualnih kuri~ih ne pride v potev;

184 ZNAÎLNOSTI

• ve~ja ~isto~a zraka na ra~un toplarnike ~istilne naprave za dimne pline, kar odindividualnih porabnikov ni mogo~e zahtevati;

• razbremenitev prometa in skladi~enja, saj ni potreben transport goriva doposameznih porabnikov in odvoz pepela.

Na drugi strani pa so pri toplarnah zaradi toplovodnega omre`ja precej vijiinvesticijski stroki kot pri navadnih termoelektrarnah. Z dodatno opremo pa jetreba ra~unati tudi v sami toplarni. Skupni dodatni stroki v toplarni (toplotnapostaja: prenosnik toplote, cevovodi in armature, ~rpalke, regulacija itd.) so namre~od 1 % do 2 % vseh investicijskih strokov. Ta podatek velja za toplarne, ki sokurjene s premogom. ê se upoteva samo parna turbina, potem so dodatniinvesticijski stroki pribli`no:

• od 4 % do 5 % pri toplarnah elektri~ne mo~i od 400 MW do 500 MW;• od 7 % do 8 % pri toplarnah elektri~ne mo~i okrog 200 MW (srednjetla~ni del

turbine mora biti izveden kot dvoj~ek);• od 15 % do 16 % pri zelo velikih toplarnah elektri~ne mo~i okrog 800 MW

(podvojitev srednjetla~nega dela turbine).

Notranji izkoristek parne turbine za soproizvodnjo elektri~ne energije in toplote jeza manj kot 1 % slabi od notranjega izkoristka turbine, ki je grajena za proiz-

6 SOPROIZVODNJA ELEKTRI^NE ENERGIJE IN TOPLOTE 185

Slika 6.1. Poenostavljen prikaz ekspanzije pare v termoelektrarni in v toplarni(brez ponovnega pregrevanja pare, brez regenerativnega gretja napajalnevode, enostopenjski prenosnik toplote za ogrevalno vodo)

vodnjo elektri~ne energije. Konstrukcija toplarnikih turbin je zelo podobnaizvedbam parnih turbin, ki so namenjene izklju~no za proizvodnjo elektri~neenergije in niso poseben tehni~ni problem. Termoelektrarne, ki so è v obratovanju,je mogo~e z manjimi posegi spremeniti v toplarne, pri tem pa ostane sama turbinakonstrukcijsko skoraj nespremenjena. Paro za gretje ogrevalne vode se navadnojemlje iz zveznega parovoda med srednje in nizkotla~nim delom turbine. Zna~ilnista dve vrsti toplarn s parnim kro`nim procesom: ene ogrevajo s paro iz protitla~neturbine, druge s paro iz odjemno-kondenzacijske turbine.

Ogrevanje s paro iz protitla~ne turbine, sliki 6.1 in 6.2. Elektri~na in toplotna mo~sta med seboj povezani: ~im ve~ja je koli~ina sveè pare, tem ve~ja je elektri~namo~ in tem ve~ja je tudi toplotna mo~ v protitla~nem kondenzatorju. Proizvodnjaelektri~ne energije je popolnoma odvisna od porabnikov toplote. Koli~ina sveèpare in s tem mo~ turbine je odvisna od temperature ogrevalne vode, ta pa odtemperature okolice. Toplarne s protitla~nim obratovanjem so primerne za ogre-vanje manjih mest, za ogrevanje delov ve~jih mest, za ve~ja industrijska podjetja,

186 ZNAÎLNOSTI

Slika 6.2. Toplarna s parnim kro`nim procesom s protitla~no turbino

in to predvsem tam, kjer so velike potrebe po toploti in manje po elektri~ni ener-giji. Tako toplarniko postrojenje je tudi v Ljubljani.

Ogrevanje s paro iz odjemno-kondenzacijske turbine, slika 6.3, je bolj prilagod-ljivo: elektri~na in toplotna mo~ sta med seboj skoraj neodvisni, razmerje medproizvodnjo elektri~ne energije in toplote je mogo~e izbirati v velikem obsegu.Take toplarne so primerne za daljinsko ogrevanje mest. Dve taki toplarniki postro-jenji sta tudi v Ljubljani.

Prenosniki toplote za ogrevalno vodo so velike in drage naprave, ki so konstruk-cijsko podobne cevnim kondenzatorjem. Najmanja temperaturna razlika medturbinsko paro in ogrevalno vodo je okrog 5 K.

Mo`nosti proizvodnje elektri~ne energije in toplote pri enem regulinarem odjemuogrevalne pare, kjer imamo le tok sveè pare &mSP, tok odjemne pare za ogrevanje&mT in tok pare skozi kondenzator &mK, prikazuje diagram na sliki 6.4. Na ordinati je

naneen tok sveè pare &mSP, na abscisi mo~ na sponkah generatorja PG. Najve~ji tok


Slika 6.3. Toplarna s parnim kro`nim procesom z odjemno-kondenzacijskoturbino

sveè pare &mSP max je dolo~en z zmogljivostjo kotla (premica A), najve~ja elektri~namo~ PG max pa s konstrukcijo generatorja (premica B).

ê ni potreb po ogrevalni toploti, potem obratuje turbina kot kondenzacijskaturbina, kot je ponazorjeno s premico C:

188 ZNAÎLNOSTI

Slika 6.4. Povezava med proizvodnjo elektri~ne energije in toplote s parnoturbino

&mT = 0 in &mK = &mSP

Pri najve~ji potrebi po ogrevalni toploti &mT max deluje visokotla~na turbina kot proti-tla~na, nizkotla~na turbina te~e v prazno (premica ^). Dejansko pa mora te~i skozinizkotla~no turbino in naprej v kondenzator vedno neka minimalna koli~ina pare&mK min, ki je potrebna za hlajenje lopatic (premica D). Velja:

&mT = &mT max in &mK = &mK min

&mK min = (0,4–0,8) · &mSP

Pribli`no ta tok pare pa je potreben tudi za prosti tek turbine Pm, ki ga je po drugistrani mogo~e izra~unati iz mehanskega izkoristka postrojenja. Ni`je tevil~nevrednosti veljajo za ve~je turbine.

Podro~je delovanja odjemno-kondenzacijska postrojenja omejuje nadalje goltnostnizkotla~nega dela turbine &mK max (premica E) in minimalni tok sveè pare skozikotel &mSP min (premica F). Imenski odjem ogrevalne pare, ki ga je mogo~e dose~i prinajve~ji mo~i, pa je ozna~en s to~ko G, sicer so pa linije konstantnih odjemovogrevalne pare pribli`no vzporedne premici C.

6.1.2 Soproizvodnja s plinskimi turbinami

Popolnoma podobna razmiljanja veljajo za soproizvodnjo elektri~ne energije intoplote s plinsko turbino. Enostaven primer take toplarne, plinskega postroja sprigrajenim prenosnikom toplote, prikazuje slika 6.5. Pri plinskem postroju je


Slika 6.5. Toplarna s plinskim kro`nim procesom

mogo~a tudi sama proizvodnja elektri~ne energije, v tem primeru odteka toplotaizpunih plinov neizkori~ena mimo prenosnika toplote v dimnik. Ker imajoizpuni plini iz plinske turbine temperaturo med 470 °C in 520 °C, se njihovatoplota pogosteje uporablja za uparjanje pare v sestavljenem plinsko-parnemprocesu in manjkrat za enostavno proizvodnjo ogrevne toplote.

Najbolje se primarna energija pretvarja v sekundarno (v elektri~no energijo intoploto) v sestavljenem plinsko-parnem procesu z odjemno-kondenzacijsko parnoturbino. Taka kombinacija je v mnogih primerih tudi gospodarsko najbolj upra-vi~ena. Sestavljeni plinsko-parni proces je obravnavan v prejnjem poglavju.

6.1.3 Soproizvodnja z motorji z notranjim zgorevanjem

Za soproizvodnjo elektri~ne energije in toplote od nekaj kilowattov do pribli`no 3MW so zelo primerni tudi motorji z notranjim zgorevanjem, ki se mo~nouveljavljajo prav v novejem ~asu kot manje, krajevne toplarne, slika 6.6. Toplotaizpunih plinov je primerna za ogrevanje stanovanjskih naselij, za bolnice intovarnike prostore, uporabna je za hladilne absorpcijske naprave itd. Motorje znotranjim zgorevanjem je mogo~e postaviti blizu porabnikov toplote, tako da se~im bolj skr~i drago toplovodno omre`je. Koristno je mogo~e uporabiti toplotoizpunih plinov, pa tudi toploto hladilne vode in mazalnega olja. Mogo~a jestopenjska postavitev in enostavna povezava ve~ postrojev. Prihranek goriva je od5 % do 30 %. Tudi koli~ina CO2 se pri soproizvodnji elektri~ne energije in toplotezmanja za 5 % do 60 % v primerjavi z lo~eno proizvodnjo elektri~ne energije in

190 ZNAÎLNOSTI

Slika 6.6. Toplarna z motorjem z notranjim zgorevanjem

toplote. Ogrevalna toplota pa je nizkotemperaturna, le od 80 °C do 90 °C, vposebnih primerih do 130 °C. Podobno kot pri plinskih postrojih s prigrajenimprenosnikom toplote je pri motorjih z notranjim zgorevanjem mogo~a tudi samaproizvodnja elektri~ne energije, v tem primeru odteka toplota izpunih plinovneizkori~ena mimo prenosnika toplote v okolico.


Prednosti so~asne proizvodnje elektri~ne energije in toplote je najla`je razumeti spojmom eksergija. Vedeti je namre~ treba, da pridobivamo pri soproizvodnji hkratiin v enem postrojenju dve za ìvljenje najpomembneji vrsti energije: elektri~noenergijo (mehansko delo) in toploto. Ti dve vrsti energije med seboj nista popol-noma primerljivi.

Z energijskega vidika se v proces dovedena energija goriva porablja za elektri~noenergijo, za koristno toploto, del dovedene toplote pa odteka neizkori~en skozikotel in kondenzator v okolico:

QGo = QIK + QE + QT + Qod (6.01)

Z eksergijskega vidika se v proces dovedena eksergija goriva porablja za eksergijoelektri~ne energije, za eksergijo koristne toplote, del dovedene eksergije toplote pase zaradi nepovra~ljivosti zgorevanje in prenosa toplote skozi kotel in kondenzatorspremeni v anergijo in odteka v okolico:

EGo = EIK + EE + ET + Eod (6.02)

Za la`je razumevanje hkratne proizvodnje elektri~ne energije in toplote je primernonapraviti nekatere poenostavitve in definirati nekatere veli~ine:

• z gorivom spro~ena toplota je enaka eksergiji goriva: QGo = EGo

• elektri~na energija je enaka njeni eksergiji: WE = EE

• izgube toplote skozi kotel QIK v okolico so majhne, medtem ko so izgubeeksergije toplote zelo velike: EIK >> 0

• eksergija toplote skozi kondenzator je zanemarljiva: Eod ≈ 0, ni pa zanemarljivodvod toplote v okolico: Qod >> 0

Za nadaljnje ra~unanje je smiselno vpeljati eksergijsko tevilo:

ε =−T T

Tdo O

do

(6.03)

pri tem je Tdo povpre~na temperatura odjemne pare iz turbine in TO povpre~na letnatemperatura okolice. Carnotov faktor je identi~en z eksergijskim tevilom ε, ~e jetemperatura odvoda toplote iz kro`nega procesa enaka temperaturi okolice.


Eksergija koristne toplote (za ogrevanje, za tehnoloke procese itn.):

ET T

TQT

do O

doT=

−⋅ = ε ⋅QT (6.04)

Glede na temperature toplote za ogrevanje velja: 0,30 < ε < 0,40, kar ustrezatemperaturi odjemne pare od 120 °C do 180 °C. Eksergijsko tevilo je za toplarneskoraj konstantna vrednost, saj ima ogrevana voda po vseh toplarnah pribli`noenako temperaturo. Za nadaljnje ra~unanje je privzeta ena toplotna postaja, kar jeprecejnja poenostavitev, saj ima ve~ina toplarn dve toplotni postaji na dveh raz-li~nih temperaturnih nivojih.

Toplarniko tevilo:

χ =Q

WT

E

(6.05)

je razmerje med letno proizvedeno koristno toploto QT in letno proizvedeno elek-tri~no energijo WE.

Grelno tevilo:

γ =−

=Q

W W

Q

WT

E E min

T

E∆(6.06)

je razmerje med letno proizvedeno koristno toploto QT in letnim zmanjanjemproizvodnje elektri~ne energije DWE na ra~un proizvodnje te toplote. Pri odjemno--kondenzacijskem parnem postrojenju se najve~ja mo`na proizvodnja elektri~neenergije zmanjuje s pove~evanjem proizvodnje toplote. Glede na parametre grelnepare in zasnovo toplarnikega postrojenja je γ ≈ 10. ê se torej zmanja proizvod-nja elektri~ne energije za 10 MW, na primer od 100 MW na 90 MW, je mogo~epridobiti ve~ kot 100 MW toplote za ogrevanje. Pri toplotnih ~rpalkah je prakti~nodosegljivo grelno tevilo, ki je definirano analogno, pribli`no 3. Pri toplarnah je totevilo trikrat ve~je, kar pomeni, da je odjem pare iz turbine za ogrevanjetermodinami~no zelo dobra reitev.

Za protitla~no parno turbino, plinsko turbino in motor z notranjim zgorevanjem sprigrajenim utilizatorjem je γmax = ∞. Pri plinskem postroju ali pri motorju znotranjim zgorevanjem z utilizatorjem je vedno mogo~a samo proizvodnja elek-tri~ne energije brez hkratne proizvodnje koristne toplote. Toplota izpunih plinovte~e namre~ lahko skozi obvod neizkori~ena v okolico. Toplarniko tevilo setorej spreminja od 0 do χmax, odvisno od poloàja lopute v obvodnem kanalu. Pritem ostaja proizvodnja elektri~ne energije nespremenjena, ne glede na obseg proiz-vodnje koristne toplote.

Na osnovi omenjenih poenostavitev in definicij je mogo~e formulirati e izkoristke,ki so potrebni za nadaljnje delo.


Termi~ni (energijski) izkoristek (kro`nega procesa) elektrarne je identi~en z ekser-gijskim izkoristkom elektrarne:

η ζtEE

do

E

doE= = =

W

Q

E

E(6.07)

Energijski izkoristek (kro`nega procesa) toplarne:

η η χtTE T

dotE=

+= ⋅ +

W Q

Q( )1 (6.08)

Proizvodnja elektri~ne energije se navadno zmanjuje, ~e se pove~uje proizvodnjakoristne toplote, zato se s pove~evanjem proizvodnje elektri~ne energije zmanjujetudi termi~ni izkoristek toplarne:

η ηtE tT> (6.09)

Termi~ni izkoristek elektrarne ηtE (samo proizvodnja elektri~ne energije, ni proiz-vodnje koristne toplote) je torej ve~ji, kot je termi~ni izkoristek proizvodnjeelektri~ne energije v toplarni ηtT (pri hkratni proizvodnji koristne toplote).

Pri izkoristku toplarne sta v tevcu dve vrsti energije razli~nih kvalitet, sajelektri~na energija in toplota glede na drugi glavni zakon termodinamike nista medseboj enakovredni; zato je za ta izkoristek primerno ime energijski izkoristektoplarne. Potek takega energijskega izkoristka za ve~je toplarne v odvisnosti odobremenitve prikazuje slika 6.7.


Slika 6.7. Pribli`ni potek energijskega izkoristka toplarne od 200 MW do 800MW elektri~ne mo~i; 165 bar; 540 °C; 0,085 bar: A – kondenzacijsko obrato-vanje, B – protitla~no obratovanje

Eksergijski izkoristek (kro`nega procesa) toplarne:

ζε

η ε χTE T

dotE=

+ ⋅= ⋅ + ⋅

W Q

Q( )1 (6.10)

Za primerjavo e energijski izkoristek kotlarne:

ηKT

do

do IK

do

IK

do

= =−

= −Q

Q

Q Q

Q

Q

Q1 (6.11)

ki je zmnoèk izkoristka kotla in izkoristkov pomo`nih strojev in naprav in je vgrobem enak izkoristku kotla. Toplota dimnih plinov, ki je prela v paro, je vtoplarni in kotlarni enako dobro izkori~ena, ni pa v kotlarni izkori~ena eksergija(delazmo`nost) te pare.

Eksergijski izkoristek kotlarne:

ζ KT

do

do IK

do

IK

do

= =−

= −E

E

E E

E

E

Q1 (6.12)

Medtem ko ima energijski izkoristek kotla dejanske vrednosti od 0,8 do 0,9, imaeksergijski izkoristek vrednosti le od 0,4 do 0,5.

Razi~imo e vrednosti toplarnikega tevila in energijskega izkoristka toplarne,ena~bi (6.05) in (6.08).

Toplarniko tevilo gre proti ni~, ~e se zmanjuje proizvodnja koristne toplote.Energijski izkoristek toplarne ηtT se pribliùje termi~nemu (energijskemu) izkorist-ku elektrarne ηtE:

χ → 0, QT → 0, ηtT → ηtEmax, ηtE → ηtEmax (6.13)

Toplarniko tevilo se pove~uje pri ve~anju proizvodnje koristne toplote. So~asnose bistveno zmanjuje odvod toplote iz procesa, delno pa se zmanjuje tudiproizvodnja elektri~ne energije:

χ → χmax, QT → QTmax, ηtT → ηtTmax, ηtE → ηtEmin (6.14)

V mejnem primeru se vsa dovedena toplota porablja samo za proizvodnjoelektri~ne energije in koristne toplote. Odvod toplote iz procesa je enak ni~. ê greza parno postrojenje, potem preide odjemno-kondenzacijska turbina v protitla~no:

Qod = 0, Qdo = WEmin + QTmax, ηtT = 1 (6.15)

Od tod je razvidno, da je najve~je toplarniko tevilo χmax navzgor omejeno. Priprotitla~nem obratovanju je najve~je toplarniko tevilo χmax odvisno od termi~ne-ga (energijskega) izkoristka elektrarne ηtE. îm ve~ji je ta izkoristek, manja jenjegova najve~ja vrednost. Glede na ena~be (6.05) in (6.15) velja:

χη

ηmaxdo Emin

Emin

tEmin

tEmin

=−

=−Q W

W

1(6.16)


6.3 Delitev strokov

Gradnja toplarne za hkratno proizvodnjo elektri~ne energije in toplote je upra-vi~ena, ~e so investicijski in obratovalni stroki manji, kot pa bi bili v primerulo~ene proizvodnje elektri~ne energije od toplote:

C < CE + CT (6.17)

pri tem so CE povpre~ni letni stroki (investicijski in obratovalni) za elektri~noenergijo, ki jo proizvaja mreà termo- in hidroelektrarn v neki pokrajini, CT

povpre~ni letni stroki (investicijski in obratovalni) za koristno toploto iz kotlarn vtej pokrajini.

Ko je toplarna zgrajena in je za~ela obratovati, je treba stroke razdeliti medproizvedeno elektri~no energijo in koristno toploto. Klju~ev za delitev je ve~, vpraksi ni prevladal nobeden. V nadaljevanju je obravnavana enostavna metoda, kiprimerja med seboj samo obratovalne stroke za elektri~no energijo in toploto napragu toplarne. Kot je bilo è poudarjeno, je postavitev toplarne (brez vro~e-vodnega omre`ja) le nekaj dra`ja od postavitve enako velike elektrarne, zato jetaka strokovna primerjava sploh mogo~a.

Skupni letni obratovalni stroki so sestavljeni iz strokov za elektri~no energijo CE

in strokov za koristno toploto CT:

C = CE + CT = WE · cE + QT · cT (6.18)

pri tem je WE letno proizvedena elektri~na energija, QT letno proizvedena koristnatoplota, cE specifi~ni stroki elektri~ne energije in cT specifi~ni stroki koristne


Slika 6.8. Povezava med specifi~nimi stroki elektri~ne energije in toplote

toplote. Vrednosti za cE in cT se lahko med seboj poljubno spreminjata, povezani pasta z gornjo ena~bo. To je ena~ba premice in pove, kateri specifi~ni stroki cT

spadajo k ustreznim specifi~nim strokom cE, da so ravno pokriti vsi strokihkratne proizvodnje elektri~ne energije in toplote, slika 6.8.

Podro~je nad daljico AB pomeni obratovanje z izgubo, podro~je pod njo pa obra-tovanje z dobi~kom. To~ka ^ leì nad daljico, stroki hkratne proizvodnje so ve~jiod strokov lo~ene proizvodnje elektri~ne energije od toplote. V tem primerugradnja toplarne gospodarsko ni upravi~ena.

Specifi~ni stroki proizvodnje elektri~ne energije so najve~ji, ~e vse strokepripiemo proizvodnji elektri~ne energije:

cC

Wc

Q

Wc c cE,max

EE

T

ET E T= = + ⋅ = + ⋅χ (6.19)

Dejanski specifi~ni stroki proizvodnje elektri~ne energije so manji:

c cQ

Wc c cE Emax

T

ET Emax T= − ⋅ = − ⋅χ (6.20)

V ena~bi so navadno poznane vrednosti cEmax in toplarniko tevilo χ, neznanki stacE in cT. Za prese~i~i s koordinatnim sistemom dobimo vrednosti:

cT = 0 cE = cEmax (to~ka A)

cE = 0 cc

TEmax=χ

(to~ka B)

Kot premice z ordinato δ je dolo~en s toplarnikim tevilom:

ctg T

E

δ χ= =Q

W(6.21)

Iz teh ena~b je mogo~e natan~neje dolo~iti deleè posameznih vrst strokov pa tudinjihovo razmerje. Gledano z energijskega vidika velja:

x xC C

CE TE T+ =

+= 1 (6.22)

xC

C

W c

W c Q c

c

c cEE E E

E E T T

E

E T

= =⋅

⋅ + ⋅=

+ ⋅χ(6.23)

xC

C

Q c

W c Q c

c

c cTT T T

E E T T

T

E T

= =⋅

⋅ + ⋅=

⋅+ ⋅χ

χ(6.24)

x

x

c

cE

T

E

T

= ⋅1

χ(6.25)

Pri najve~ji mogo~i proizvodnji toplote je to razmerje:

196 DELITEV STRO[KOV

x

x

c

c

c

cE

T max

E

T

tEmin

tEmin

E

T

= ⋅ =−

⋅1

1χη

η(6.26)

Vzemimo, da se odjemna para iz turbine za ogrevanje s temperaturo T in tlakom pobra~unava, kot bi bila proizvedena v posebnem parnem kotlu z enakimi parametriT in p. Specifi~ni stroki tako proizvedene pare za ogrevanje so cT1. Glede napremico po sliki 6.8 ustrezajo tem specifi~nim strokom za toploto zelo ugodni(majhni) specifi~ni stroki za elektri~no energijo cE1. ê so dejanski stroki zaelektri~no energijo v ~istem kondenzacijskem obratovanju turbine cE2, potem se jes tem na~inom obra~unavanja pocenila elektri~na energija za znesek (cE2 – cE1).Vse prednosti, ki izvirajo iz so~asne proizvodnje, so pripisane elektri~ni energiji,zato tak na~in obra~unavanja ne spodbuja gradnje toplarn.

Drugo skrajnost pri delitvi strokov med elektri~no energijo in toploto dobimo spredpostavko, da se vsa elektri~na energija (dejansko proizvedena v toplarni)proizvaja v elektrarni s specifi~nimi stroki cE2. Tem strokom ustreza zelo ugodna(majhna) vrednost strokov toplote cT2. V tem primeru so se navidezno pocenilispecifi~ni stroki toplote za znesek (cT2 – cT1). Vsi dodatni stroki zaradi so~asneproizvodnje so pripisani izklju~no elektri~ni energiji.

Med obema skrajnostima je mo`nost, da se razdeli prihranek, ki je bil doseènzaradi hkratne proizvodnje, po posebnem klju~u, na primer: polovica specifi~nimstrokom proizvodnje elektri~ne energije, polovica specifi~nim strokom proiz-vodnje koristne toplote:

cT1 – cT = cE1 – cE (6.27)

Pogosto se uporablja klju~, po katerem se prihranek razdeli po enakem razmerjukot stroki lo~ene proizvodnje elektri~ne energije v nadomestni elektrarni in toplotev nadomestni kotlarni. Prihranki so v odstotkih enaki, nobeni vrsti energije ni biladana prednost.

c

c

c

cE

T

E2

T1

= (6.28)

Na sliki 6.8 je gornja ena~ba premica z izhodi~em v za~etku koordinatnegasistema. Pravilna razdelitev je seveda neznanka, ki je odvisna od mnogih postavk,navsezadnje tudi od tr`nih razmer. Opisana mo`nost obra~unavanja je odvisna odra~unovodskih podatkov in od toplarnikega tevila. To tevilo se glede na letnotevilo ur obratovanja toplarne od leta do leta spreminja, s tem se na sliki 6.8spreminja tudi naklon daljice AB.

V praksi se pogosto ne lo~i stroka za proizvodnjo energije od prodajne cene teenergije. Pri tem so najve~krat odlo~ujo~e lokalne razmere, energetska politikadràve itn. in ne tehni~ni ali ekonomski kazatelji. V primeru da so porabnikiprimorani jemati toploto iz toplarne, lahko toplarna drì ceno za toploto visoko, vseprihranke pa prenese na proizvodnjo elektri~ne energije. Tako so navidezno stroki


proizvodnje elektri~ne energije zelo nizki, kar pa ni pravi~no do odjemalcevtoplote.

Predpostaviti je mogo~e, da je razmerje strokov hkratne proizvodnje elektri~neenergije in koristne toplote enako razmerju energijskih deleèv te proizvodnje.Dele` toplote pri soproizvodnji je po ena~bi (6.08):

Q

Q

W

QT

do

E

dotE=

⋅= ⋅

χχ η (6.29)

in dele` elektri~ne energije:

W

QE

dotE= − ⋅1 χ η (6.30)

Glede na zgornji ena~bi in na è poznano ena~bo (6.25) velja za razmerje strokov:

x

x

c

cE

T

E

T

tE

tE

= ⋅ =− ⋅

⋅1 1

χχ η

χ η(6.31)

in kon~no razmerje specifi~nih strokov v urejeni obliki:

c

cE

T tE

= −1

ηχ (6.32)

Za dolo~eno toplarno je znan povpre~ni energijski izkoristek, prav tako so znaniparametri turbinske odjemne pare. Razmerje specifi~nih strokov je torej pri znanitoplarni odvisno samo od letno proizvedene koristne toplote. Ve~ proizvedenetoplote zmanjuje razmerje specifi~nih strokov cE/cT. Iz ena~be (6.32) je nadaljerazvidno, da se razmerje med specifi~nimi stroki proizvodnje elektri~ne energijein stroki proizvodnje koristne toplote pove~uje:

• ~e toplarna zmanjuje proizvodnjo koristne toplote

• ~e ima odjem pare za koristno toploto nizke parametre

• ~e ima toplarna nizek termi~ni izkoristek ηtE.

Z drugimi besedami: ~im ve~ji je termi~ni izkoristek ηtE, manje je najve~je mo`notoplarniko tevilo χmax in manje je razmerje specifi~nih strokov proizvodnjeelektri~ne energiji in koristne toplote cE/cT. Stareje toplarne z majhnim termi~nimizkoristkom proizvajajo v primerjavi s sodobnimi postrojenji drago elektri~noenergijo in poceni toploto. Ne glede na vrsto toplarne pa ve~anje proizvodnjetoplote zmanjuje razmerje med stroki (in s tem tudi razmerje med cenama) zaelektri~no energijo in toploto.

Zgled. Toplarna LjubljanaV preglednici 6.1 so zbrane izmerjene vrednosti energijskih tokov v ljubljanskitoplarni pri najve~jem parnem postrojenju za so~asno proizvodnjo elektri~neenergije in toplote, in sicer pri treh zna~ilnih obratovalnih stanjih.

198 DELITEV STRO[KOV

Preglednica 6.1. Izmerjene vrednosti energijskih tokov

Obratovalno stanje PE / MW &QT / MW &Qdo / MW

protitla~no 43,9 140,8 190,5

odjemno-kondenzacijsko 50,3 95,1 186,6

kondenzacijsko 40,0 1,3 112,8

Za vsako obratovalno stanje izra~unamo toplarniko tevilo, termi~ni (energijski)izkoristek (kro`nega procesa) elektrarne in energijski izkoristek toplarne. Za proti-tla~no obratovanje velja npr.:

toplarniko tevilo, ena~ba (6.05):

χ = = =& ,

,,

Q

PT

E

140 8

43 93 21

termi~ni izkoristek elektrarne, ena~ba (6.07):

ηtEE

do

= = =P

Q&,

,,

43 9

190 50 23

in energijski izkoristek toplarne, ena~ba (6.08):

η η χtT tE= ⋅ + = ⋅ + =( ) , ( , ) ,1 0 23 1 3 21 0 97

Rezultati za vsa obratovalna stanja so zbrani v preglednici 6.2.

Preglednica 6.2. Izra~unane vrednosti toplarnikih tevil in izkoristkov

Obratovalno stanje χ ηtE ηtT

protitla~no 3,21 0,23 0,97

odjemno-kondenzacijsko 1,89 0,27 0,78

kondenzacijsko 0,03 0,35 0,37

Z izmerjenimi in izra~unanimi vrednostmi lahko nadalje dolo~imo deleè strokovza elektri~no energijo in toploto in razmerja specifi~nih strokov pri izmerjenihobratovalnih stanjih. Za protitla~no obratovanje lahko zapiemo razmerje strokov,ena~ba (6.31):

x

xE

T

tE

tE

=− ⋅

⋅=

− ⋅⋅

=1 1 3 21 0 23

3 21 0 230 35

χ ηχ η

, ,

, ,,

in razmerje specifi~nih strokov, ena~ba (6.32):

c

cE

T tE

= − = − =1 1

0 233 21 114

ηχ

,, ,

Rezultati za vsa obratovalna stanja so zbrani v preglednici 6.3.


Preglednica 6.3. Izra~unane vrednosti razmerij strokov in specifi~nih strokovpri proizvodnji elektri~ne energije in toplote

Obratovalno stanjex

xE

T

c

cE

T

protitla~no 0,35 1,13

odjemno-kondenzacijsko 0,96 1,82

kondenzacijsko 85,77 2,79

Iz preglednice 6.3 je razvidno, da so pri veliki proizvodnji toplote specifi~ni strokielektri~ne energije cE le malo ve~ji od specifi~nih strokov toplote cT:

χ = 3,2 → cE = 1,1 · cT

ê se proizvodnja toplote zmanjuje, se razmerje cE/cT pove~uje. Specifi~ni strokiproizvodnje elektri~ne energije doseèjo v obravnavanem primeru skoraj dvojnovrednost specifi~nih strokov proizvodnje toplote:

χ = 1,9 → cE = 1,8 · cT

ê je proizvodnja toplote minimalna, se razmerje cE/cT pribliùje svoji najve~jivrednosti. Specifi~ni stroki proizvodnje elektri~ne energije doseèjo glede na pre-glednico 6.3 in ena~bo (6.32) vrednost:

χ ≈ 0 → cE ≈ 2,8 · cT

6.4 Industrijske toplarne

V primeru da potrebuje tovarna za svojo proizvodnjo veliko toplote in isto~asnotudi precej elektri~ne energije, potem je pogosto upravi~ena postavitev lastnetoplarne. Zasnova take toplarne je od podjetja do podjetja razli~na, parametriogrevalne pare ali vode so izbrani glede na tehnoloki proces; primer prikazujeslika 6.9.

Turbinska para za ogrevanje je dolo~ena glede na temperaturo nasi~ene pare (pre-stop toplote je pri kondenzaciji zelo dober!), s tem je dolo~en tudi tlak. Navadnorazlikujemo:

• visokotla~no paro za industrijske tehnoloke procese (p = 10–20 bar) in

• nizkotla~no paro za ogrevanje (p = 3–5 bar).

ê je za industrijske tehnoloke procese potrebna samo nizkotempeturna toplota,potem so za take toplarne primerni motorji z notranjim zgorevanjam, pri katerih setoplota izpunih plinov izkori~a za proizvodnjo toplote. Odlikuje jih cenenostizvedbe.

200 INDUSTRIJSKE TOPLARNE

6.5 Izkori~anje odpadne toplote

Pri vseh fosilnih in jedrskih elektrarnah gre v kondenzatorju v hladilno vodo odpolovice do dve tretjini toplote, ki je bila dovedena v kro`ni proces. Pri tem jekon~na temperatura ogrete hladilne vode iz kondenzatorja okrog 15 °C (pozimi) in35 °C (poleti). To dejstvo – ~eprav fizikalno neizogibno odvisno – rabi nerazgle-danim pogosto kot primer razsipavanja energije. To "odpadno" nizkotemperaturnotoploto je mogo~e izkori~ati le v omejenem obsegu, npr. za ogrevanje toplih gred,za kopali~a itd. Za ogrevanje prostorov so potrebne nekoliko vije temperature. Tetemperature je mogo~e dose~i s toplotnimi ~rpalkami, vendar je pogosto dvomljivagospodarnost. Enostavneje je namre~ pri primerno visoki temperaturi pare (od110 °C do 130 °C) odvzemati toploto iz turbine in jo poiljati porabnikom. S temse sicer zmanja proizvodnja elektri~ne energije, so~asno pa se zmanja tudikoli~ina odpadne toplote.


Slika 6.9. Shema industrijske toplarne

Na sliki 6.10 so shemati~no prikazane tri mo`nosti ogrevanja z odpadno toploto iztermoelektrarn.

Primer A prikazuje danes najbolj navaden na~in daljinskega ogrevanja, pri ~emerse ogrevalna voda pri porabnikih ohladi za 30 K do 40 K; ohlajena ogrevalna vodate~e v povratnem vodu nazaj v toplarno.

Primer B prikazuje nizkotemperaturno daljinsko ogrevanje, ki pridobiva veljavo.Delazmo`nost turbinske pare je namre~ bolje izkori~ena kot v primeru A; ta na~inzahteva pri porabnikih ve~je toplotne podpostaje, v ogrevanih prostorih pa ve~jepovrine radiatorjev.

Primer C prikazuje izkori~anje ogrete hladilne vode iz turbinskega kondenzatorja,namesto izkori~anja odjemne pare iz turbine. Ker je temperatura te vode nizka, joje treba pri porabnikih dvigniti na viji nivo. Slaba stran tega sistema je porabaelektri~ne energije za pogon toplotnih ~rpalk (elektri~na energija je bila v termo-elektrarni s trudom pridobljena iz toplote dimnih plinov in sedaj pa porabljena zapridobivanje toplote). Ta sistem ne potrebuje povratnega voda, ampak lahkoohlajena ogrevalna voda te~e naravnost v mestno kanalizacijo. Ekoloko gledano jetaka reitev odli~na, vendar so le redko dani pogoji, da je sistem gospodarskoupravi~en. ê bi imeli porabniki vgrajeno talno ogrevanje, potem bi temperaturninivo te hladilne vode iz kondenzatorja zadostoval in toplotne ~rpalke ne bi bilepotrebne.

202 IZKORI[ÂNJE ODPADNE TOPLOTE

Slika 6.10. Primerjava razli~nih mo`nosti daljinskega ogrevanja: A – navadnodaljinsko ogrevanje s povratnim vodom, B – nizkotemperaturno daljinskoogrevanje s povratnim vodom, C – nizkotemperaturno daljinsko ogrevanje zodpadno toploto in toplotno ~rpalko brez povratnega voda, ^ – temperaturaogrevanih prostorov

7VODNE ELEKTRARNE

Poglavje obravnava vodne elektrarne, ki potencialno energijo vode spreminjajo vsekundarno energijo v obliki elektri~ne energije. Prikazuje osnove delovanja,glavne zna~ilnosti, najva`neje vrste vodnih elektrarn kakor tudi primerjavo medvodno elektrarno in termoelektrarno.

7.1 Zna~ilnosti

V Sloveniji proizvedejo vodne elektrarne pribli`no tretjino elektri~ne energije (doleta 1960 je bil dele` ve~ kot dve tretjini!), drugo dobimo iz jedrske in fosilnihelektrarn. Tehnika gradnje vodnih elektrarn je dobro znana, ni neznanega invelikega tveganja, voda pri tem ne spremeni svojih fizikalnih lastnosti: gostota,temperatura, notranja energija itd. ostanejo nespremenjene. Ker gre za neposrednospremembo potencialne energije v elektri~no brez vmesne pretvorbe v toploto, jeskupni izkoristek elektrarne velik.

Vodne elektrarne imajo zelo dolgo trajnostno dobo, zelo dober izkoristek, graditi jemogo~e velike enote, njihova velikost je omejena samo z zemljepisno lego inugotovljenim vodnim pretokom. Postavitev vodne elektrarne zahteva za vgrajenikilowatt izredno velika investicijska sredstva, toda – v nasprotju s termoelektrar-nami – zelo majhna obratovalna. Ve~ o tem je v poglavju o gospodarnosti elek-trarn. Ve~krat je pri starejih in ve~jih enotah gospodarno nadomestiti obstoje~ovodno turbino s sodobnejo, ki obratuje z ve~jim izkoristkom, in tako pove~atielektri~no mo~ elektrarne do 10 %, kar je v Sloveniji na Dravskih elektrarnah ènarejeno.

Glede na statisti~ne podatke o letnih pretokih vode obratujejo vodne elektrarnepovpre~no okrog 3'600 h na leto. Slika 7.1 prikazuje glavne sestavne dele vodneelektrarne.

7.2 Hidrodinami~ne osnove


Znano je, da so lahko turbinski stroji enakotla~ni ali nadtla~ni, kar velja tudi zavodne turbine. Skozi vodilne lopatice (skozi vodilnik turbine) se tlak delovne snovizniùje, pove~uje pa se njena hitrost. Potek tlaka skozi gonilne lopatice (skozigonilnik turbine) pa se razlikuje glede na tip. Pri enakotla~ni turbini ostaja tlakdelovne snovi skozi gonilne lopatice nespremenjen, hitrost delovne snovi pa sezmanjuje na ra~un mehanskega dela. Pri nadtla~ni turbini pa se tlak skozi gonilnelopate e naprej zmanjuje, prav tako tudi hitrost delovne snovi, oboje na ra~unenergije vode.

Energijska ena~ba za vodno elektrarno (u1 = u2, p1 = p2) za nestisljivo delovnosnov (ρ = konst.) in z upotevanjem izgub energije zaradi trenja, posebej za sesalno(indeks: 1T) in posebej za tla~no stran (indeks: T2) po sliki 7.2 je:

vg H

p vg H

p W

m12

122

22 2+ ⋅ −

= + ⋅ −

+∑ ∑∆ ∆

ρ ρ1T T2

t (7.01)

Za enakotla~no vodno turbino velja:

204 HIDRODINAMI^NE OSNOVE

Slika 7.1. Glavni sestavni deli vodne elektrarne: A – zbiralnik vode (nasip, jez,pregrada), B – odjem vode iz zbiralnika (vto~ni objekt), C – dovod vode kturbinam (struga, kanal, predor, cevovod), ^ – varovalna oprema protivodnemu udaru, D – glavni zaporni ventil, E – strojnica (jaek s turbino ingeneratorjem), F – pomo`ne naprave (spodnji vodostaj itd.), G – odvod vode izturbin (struga, kanal, predor, cevovod)

W m g H Hm

v mp

t1T T

1T

= ⋅ ⋅ − + ⋅ − ⋅

∑( )1 1

2

2

∆ρ

(7.02)

Za nadtla~no vodno turbino velja:

W m g H Hm

v v mp

mp

t12 2

1T

= ⋅ ⋅ − + ⋅ − − ⋅

− ⋅∑( ) ( )1 1

222

2

∆ ∆ρ ρ

∑

T2

(7.03)

Iz zadnjih dveh ena~b je razvidno, da izkori~a nadtla~na turbina razpolo`ljivivodni padec bolje kot enakotla~na. Razlika dela je naslednja:

∆∆

W W W m g H Hm

v mp

t t12 t1T T 2

T2

= − = ⋅ ⋅ − − ⋅ − ⋅

∑( )

2 22

ρ(7.04)

Enakotla~na vodna turbina mora imeti za gonilnikom prost odtok, zato ne moreizkoristiti celotnega razpolo`ljivega vodnega padca. Pri nadtla~nih vodnih turbinahta pogoj ni potreben. Pri velikih geodetskih razlikah (H1 – H2) sta obe vrsti vodnihturbin enakovredni, nasprotno pa pri majhnih razlikah enakotla~ne turbine nisosprejemljive. Postavitev enakotla~ne vodne turbine je upravi~ena, ~e velja:

H H H H1 2 2− >> −T (7.05)

Pri natan~nejih ra~unih je treba upotevati e hitrost reke, ki razpolo`ljivo geodet-sko razliko rahlo zmanjuje.Dejanski izkoristek vodne elektrarne je zmnoèk ve~ izkoristkov:

η η η η ηe C i m G= ⋅ ⋅ ⋅ (7.06)

pri tem je ηC izkoristek cevovoda, ηi notranji izkoristek turbinskega stroja, ηm

mehanski izkoristek in ηG izkoristek generatorja. [tevil~ne vrednosti za va`nejeizkoristke so navedeni na koncu poglavja v preglednici 7.2.Dejansko delo in dejanska mo~ vodne elektrarne:

W m g He e= ⋅ ⋅ ⋅η ∆ (7.07)

7 VODNE ELEKTRARNE 205

Slika. 7.2. Postavitev vodne elektrarne

P m g H V g He e e= ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅η η ρ&

&∆ ∆ (7.08)

Izraz (g·DH) pomeni specifi~no energijo in ima enako dimenzijo kot specifi~naentalpija pri toplotnih turbinskih strojih: m2/s2 = J/kg.

7.2.2 Pretok vode

Pri postavitvi vodne elektrarne je eden od najva`nejih podatkov pretok vode namestu, kjer je vodna elektrarna na~rtovana. V Sloveniji in v mnogih drugih dràvahso vzdol` rek postavljene vodomerne postaje, na razpolago so obirni statisti~nipodatki, iz katerih je razvidna letna koli~ina padavin, vodostaj rek, preto~nekoli~ine itd., vse v odvisnosti od ~asa in kraja. Upotevati je treba, da se podnebjena daljo dobo rahlo spreminja in da se podatki od leta do leta razlikujejo (suno,normalno, deèvno leto). Za dolo~itev imenskega pretoka se zato jemlje povpre~jezadnjih 10 do 30 let.

Od vseh padavin (P) prite~e na povrino zemlje kot teko~a voda (V) le del. Delpadavin porabijo rastline ali pa takoj izhlapi (R), del padavin ponikne in ostane podpovrino kot talna voda (T). Del te talne vode prite~e na plan s ~asovnim odmikomkot izvir (I). Primer prikazuje slika 7.3:

P = V + R + T – I (7.09)

Razmerje med padavinami in teko~o vodo je v veliki meri odvisno od topografskih,geolokih in klimatskih razmer opazovanega podro~ja in se lahko mo~no spre-minja:


Slika 7.3. Namiljen primer za vodne razmere v odvisnosti od letnega ~asa:I – izviri vode, P – padavine, R – rastline in izhlapevanje, T – talna voda, V – te-ko~a voda

P

V= 0,2–1,0 (7.10)

Reka je za pridobivanje elektri~ne energije primerneja, ~e je sprememba pretokamed letom majhna in ~e je zanesljivost predvidevanja pretoka v posameznih dobahvelika. Zanesljivost predvidevanja je tem ve~ja, ~im manji so odstopki odsrednjega mese~nega pretoka. Glede na ve~letne meritve so bile za ve~je reke vbivi Jugoslaviji po metodah statisti~ne matematike izra~unane krivulje verjetnostisrednjih mese~nih pretokov. Rezultati za Dravo in Drino so zbrani na sliki 7.4, kiprikazuje spremembe relativnih pretokov vode za (5, 20, 50, 80 in 95) % verjet-nosti. S slike je razvidno, da ima Drava bolj izravnane pretoke kot Drina, da jezanesljivost predvidevanja pretoka na Dravi ve~ja in da je zato v primerjavi zrekami dinarskega podro~ja potrebna najmanja prostornina zbiralnega jezera.Nasprotno tendenco kaè Drina, relativno kratka in hudournika reka dinarskegapodro~ja, ki leì geografsko ni`je in je bolj toplo od alpskega. Drava spada medvisokogorske reke, ki imajo najve~ji pretok pozno pomladi in v za~etku poletja, kose v gorah tali sneg, in najmanjega pozimi, ko je vse zamrznjeno. Sava je,podobno kot Drina, srednjegorska reka, ki ima dva maksimuma: spomladi in jeseni,So~a pa je primorska reka, saj ima najve~ji pretok v dobi zimskega deèvja.


Slika 7.4. Pretoki vode [za verjetnost (5, 20, 50, 80 in 95) %] v odstotkihdolgoletnega srednjega pretoka &Vm za Dravo in Drino (obdobje od leta 1926 do1952)

Za dolo~itev mo~i in tevila turbin v na~rtovani elektrarni je vaèn urejen letnidiagram za srednje dnevne pretoke, kakor ga prikazuje slika 7.5. Ne gre ve~ zasrednje mese~ne vrednosti, ampak za srednje dnevne vrednosti, razen tega soizmerjene vrednosti urejene po velikosti. Tudi tak diagram je izdelan na osnovive~letnih meritev, krivulja pa pomeni srednje dnevne vrednosti za ve~ let. Zana~rtovanje mo~i vodne elektrarne so pomembni podatki:&V100 najmanji ugotovljeni pretok vode ( &Vmin)&V95 pretok vode, ki je zagotovljen 95 % ~asa&V50 pretok vode, ki je zagotovljen 50 % ~asa&Vm srednji letni pretok vode (navadno se vrednosti za &V50 in &Vm med seboj

razlikujeta).

Stareje vodne elektrarne so bile na~rtovane tako, da so obratovale z imenskomo~jo 200 ali celo 300 dni v letu, v novejem ~asu pa se izkori~a energija pripretoku vode, ki je pri~akovan, v povpre~ju 100 dni v letu. To pomeni, da jeturbina ve~ino leta obremenjena le delno, slika 7.6. S slike je razvidno, da se pretokmed letom spreminja od &Vmin do &Vmax. Mo~ vodne turbine z nara~ajo~im pretokomnara~a do imenske mo~i Pi, pri visoki vodi (od 0 do 100 dni v letu) pa mo~ turbinezaradi slabega izkoristka pada. Najve~ji koristni vodni padec DHmax je narazpolago pri najmanjem pretoku vode &Vmin. Ve~ji pretoki imajo za posledico ve~jihidravli~ni upor, zato se koristni vodni padec z nara~anjem pretoka rahlo zmanj-uje. Razpolo`ljiva vodna energija je dejansko vedno porazdeljena na ve~ enakihturbinskih postrojev v skupni strojnici, tako da je mogo~e s postopnim vklap-


Slika 7.5. Urejeni letni diagram za srednje dnevne pretoke Drave pri Dravo-gradu (za obdobje od leta 1977 do 1987)

ljanjem oziroma izklapljanjem posameznih turbin optimalno izkoristiti vsakokratnivodni tok.

7.3 Vrste vodnih elektrarn

Poznanih je ve~ vrst vodnih turbin, od katerih je vsaka primerna samo v dolo~enemobmo~ju, ki ga opredeljuje specifi~na vrtilna frekvenca. Ta je funkcija pretoka invodnega padca: za velike padce so primerne enakotla~ne Peltonove turbine, zasrednje in manje pa nadtla~ne Francisove in Kaplanove turbine. Slika 7.7prikazuje razdelitev vodnih turbin glede na vodni padec in specifi~no vrtilnofrekvenco:

n nV

yy

L

= ⋅&

/

/

1 2

3 4(7.11)

n nV

Hq = ⋅

&

/

/

1 2

3 4∆(7.12)

Pri tem velja medsebojna povezava: nq / min–1 = (3,0074 · ny) / s–1. Vodne elek-trarne nadalje delimo na preto~ne, zajezne (ali akumulacijske) in ~rpalno-zajezneelektrarne.


Slika 7.6. Pretok, koristna viina in mo~ vodne turbine, ra~unano s 100-dnevnovodo

7.3.1 Preto~ne elektrarne

Voda te~e brez zadrèvanja skozi turbine, morebitni preseèk pa neizkori~en ~ezjez mimo turbin. Preto~ne vodne elektrarne so primerne za osnovno preskrboomre`ja z elektri~no energijo, tok vode mora biti skozi vse leto ~im bolj enako-meren. V Sloveniji ve~ina rek zaradi mo~nega spreminjanja toka vode glede naletni ~as ni primerna za postavitev takih elektrarn.

7.3.2 Zajezne (akumulacijske) elektrarne

Voda te~e v zbiralnik vode (akumulacijsko jezero) in se nato vodi na turbine gledena potrebe elektri~nega omre`ja. Zbiralnik vode je namre~ tisti, ki napravi vodnoelektrarno vsestransko uporabljivo. V splonem je zbiralnik vode dovolj velik, ~e jena~rtovan za 60 % do 70 % vse vode, ki v povpre~ju prite~e v enem letu. Razli-kujemo:

• dnevno akumulacijo vode (manji jezovi), na primer vodne elektrarne na Dravi

• tedensko akumulacijo vode (ve~ji jezovi in pregrade) in

• letno akumulacijo vode (dolinske pregrade).

210 VRSTE VODNIH ELEKTRARN

Slika 7.7. Razdelitev vodnih turbin glede na specifi~no vrtilno frekvenco

K zajeznim (akumulacijskim) vodnim elektrarnam spada tudi postavitev elektrarn vstopnjah, tako da je ~im bolj popolno izkori~en ves razpolo`ljivi re~ni padec. Ostopenjskem obratovanju govorimo, ~e imata prva in zadnja elektrarna v taki verigizbiralnik vsaj za dnevno akumulacijo vode. Tak zbiralnik se polni pono~i, koveriga elektrarn ne obratuje. Podnevi, ko so potrebe po elektri~ni energiji ve~je, paza~no elektrarne obratovati ena za drugo in pri tem te~e skozi turbine ve~jakoli~ina vode, kakor pa doteka v zbiralnik vode na za~etku verige. Izravnalnizbiralnik vode na koncu verige skrbi za enakomerneji odtok vode.

Z energetskega vidika je va`na prostornina napolnjenega zbiralnika vode, saj pove,koliko je v njem shranjene potencialne energije vode. Velja:

W V g He e= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅η ρ ∆ (7.13)

Preglednica 7.1 prikazuje potrebno viinsko razliko in pretok vode, ki sta potrebnaza proizvodnjo 1 kW h elektri~ne energije pri ηe = 0,85.

Potencialna energija vode je v primerjavi s kemi~no vezano energijo goriv majhna.Vzemimo HE Zlatoli~je na Dravi, ki ima dejansko mo~ Pe = 132'000 kW in brutopadec DH = 33 m. Za to mo~ potrebuje &V = 450 m3/s ali &m ≈ 450'000 kg/s vode.Primerjava s termoelektrarno enake mo~i na teko~e gorivo s kurilnostjo Hi =40'000 kJ/kg in dejanskim izkoristkom ηe = 0,35 pokaè, da je poraba goriva &mGo =9,4 kg/s. Za jedrsko termoelektrarno enake mo~i, s tla~novodnim reaktorjem naobogateni uran pa je ta poraba goriva le &mGo ≈ 0,185 kg/h = 51 mg/s.

Preglednica 7.1. Potrebna viinska razlika in pretok vode za proizvodnjo 1 kW hpri ηe = 0,85

DH / m 1 20 50 100 1000

&V / (m3/s) 432 21,6 8,6 4,3 0,4

7.3.3 ^rpalno-zajezne (akumulacijske) elektrarne

Pri ~rpalno-zajeznih elektrarnah se voda zbira v dveh zbiralnikih, ki sta postavljenana razli~nih geodetskih viinah. Spodnji zbiralnik vode je navadno (ni pa nujno)zajezena reka, zgornji pa umetno zgrajen hranilnik vode. Pri takih elektrarnah se~rpa re~na voda ob prese`kih elektri~ne energije iz omre`ja v vije leè~i hranilnik.Potencialna energija te vode se nato uporablja za pridobivanje elektri~ne energije v~asu velikih potreb, tako da te~e voda iz vije leè~ega hranilnika nazaj po istemcevovodu do turbin, ki so postavljene ob reki. Delovanje ~rpalno-zajezne vodneelektrarne prikazuje slika 7.8; zaradi nazornosti je narisan stareji na~in, kjer staturbina in ~rpalka na eni osi, vendar konstrukcijsko lo~eni.

V novejem ~asu so na voljo posebne ~rpalne turbine, ki zdruùjejo v enemturbinskem stroju lastnosti vodne turbine in ~rpalke. S tem se poceni investicija,prvi pogoj je dober izkoristek takega reverzibilnega turbinskega stroja. Najboljiizkoristek ~rpalke je namre~ pri druga~ni specifi~ni vrtilni hitrosti kot najbolji


izkoristek vodne turbine. Navadno je treba izbrati neko kompromisno specifi~novrtilno hitrost, ki je enaka za oba na~ina obratovanja, pri tem pa mo~ ~rpalke invodne turbine po velikosti pribliàmo tako, da izberemo skozi ~rpalko manjipretok kot pa skozi turbino. Za viine do 20 m se uporabljajo cevne ~rpalne turbine,za viine od 50 m do 150 m posebne Francisove ~rpalne turbine s nastavljivimigonilnimi lopaticami (Deriazove turbine) in za viine od 100 m do 600 m posebneizvedbe Francisove turbine.

Shranjevanje potencialne energije vode je lahko pri ugodni konfiguraciji zemeljskepovrine zelo gospodarna reitev. S tem dobimo:

• oplemeniteno energijo (~rpanje v vije leè~i hranilnik vode z no~nimi prese`kielektri~ne energije in proizvodnja drage vrne elektri~ne energije podnevi);

• energijo v rezervi za primer nenadne potrebe (okvara ene od elektrarn, ki je vobratovanju itd.).

Prednosti takega na~ina shranjevanja so:

• takojen vklop postroja (hitreje kot pri plinskem postroju)

• mo`nost hitrih in velikih sprememb mo~i

• velike koli~ine shranjene energije.

Bistvenega pomena pri ~rpalno-zajeznih elektrarnah je ~im bolji skupni izkoristekpostroja, saj gre za dvakratno spremembo energije: elektri~na energija se spremeniv potencialno energijo vode in ta ponovno nazaj v elektri~no, preglednica 7.2.

212 VRSTE VODNIH ELEKTRARN

Slika 7.8. ^rpalno-zajezna elektrarna

Zgled. ^rpalno-zajezna elektrarna

Gladina zgornjega hranilnika vode leì 100 m nad gladino reke, ob kateri jepostavljena vodna elektrarna. Skupni izkoristek turbinskega postroja je ηT = 0,88,skupni izkoristek ~rpalnega postroja pa η^ = 0,86. Koliko vode je treba na~rpati vjezero (zgornji hranilnik), da je mogo~e s to vodo v 2 urah proizvesti 50'000 kW hvrne elektri~ne energije? Kakna mora biti mo~ ~rpalke, ~e so pono~i za ~rpanjena voljo 4,5 ure?

Koli~ina vode, ki jo je treba na~rpati v zgornji hranilnik vode:

W V g HT T= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅η ρ ∆

VW

g H=

⋅ ⋅ ⋅T

Tη ρ ∆=

50 000 3600 1000

0 88 1000 9 81 100

' '

, ,

⋅ ⋅⋅ ⋅ ⋅

= 208'507 m3

Mo~ vodne turbine:

PW

tTT

T

= = 25'000 kW

Volumenski tok, ki je potreben, da napolnimo izra~unano prostornino v zahte-vanem ~asu t^:

&VV

t=

^

= 12,87 m3/s


Preglednica 7.2. Izkoristki sodobne ~rpalno-zajezne elektrarne

Stroj ali napravaIzkoristki

posami~nizaporednizmnoèk

^rpanje

Dovedena elektri~na energija iz omre`jaTransformatorLastna raba energijeElektromotor za pogon ~rpalke^rpalkaCevovod med obema hranilnikoma vodeDovedena energija v zgornji hranilnik vode

1,0000,9960,9920,9900,9200,985

1,0000,9960,9880,9780,9000,8860,886

Izkori~anje

Cevovod med obema hranilnikoma vodeVodna turbinaGeneratorLastna raba energijeTransformatorOdvedena elektri~na energija v omre`je

0,9830,9400,9900,9870,996

0,8710,8190,8110,8000,7970,797

Mo~ ~rpalke:

P V g H^

^^

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅1

ηρ & ∆ = 14'682 kW

Razmerje med pridobljeno in porabljeno energijo:

P t

P tT T

^ ^

T ^

⋅⋅

= ⋅η η = 0,757

Pri dvakratni spremembi energije smo torej izgubili okrog 25 % koristne energije vobliki elektri~ne energije.

7.4 Primerjava med vodno elektrarno in termoelektrarno

Energijska bilanca elektrarne pove, da je vsota vseh energij, skupaj s toploto, ki sodovedene v sistem, enaka vsoti vseh energij in tehni~nemu delu, ki ga dobimo izsistema:

U p Vm

v m g H Q1 1 1 12

1 122+ ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ + =

=U p Vm

v m g H W2 2 2 22

22+ ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ + t12 (7.14)

Za vodno elektrarno velja poenostavljeno U1 = U2, p1 = p2, v1 = v2 in Q12 = 0:

W m g H Ht12 2= ⋅ ⋅ −( )1 (7.15)

Tehni~no delo je torej odvisno samo od potencialne energije vode. ê zanemarimovse vrste izgub (izgube v dovodnem cevovodu, notranje izgube v vodni turbini,mehanske izgube, elektri~ne izgube generatorja itd.), potem je to tehni~no deloenako elektri~nemu delu na sponkah generatorja. Dejanska mo~ vodne elektrarne,kjer so vse izgube upotvane z izkoristkom, je manja od teoreti~ne:

P m g He e= ⋅ ⋅ ⋅η & ∆ (7.16)

Za termoelektrarno velja poenostavljeno H1 = H2, v1 = v2 in Q12 = 0:

W U U p V p V m h ht12 = − + ⋅ − ⋅ = ⋅ −1 2 1 1 2 2 1 2( ) (7.17)

Tehni~no delo je torej odvisno od notranje in tla~ne energije delovne snovi, torejod entalpije pare. ê zanemarimo vse izgube (izgube v parnem kotlu, notranjeizgube v parni turbini, mehanske izgube, elektri~ne izgube generatorja itd.), potemje to tehni~no delo enako delu na sponkah generatorja. Dejanska mo~ termo-elektrarne, kjer so vse izgube upotevane z izkoristkom, je manja od teoreti~ne:

P m He e= ⋅ ⋅η & ∆ (7.18)

214 PRIMERJAVA MED VODNO ELEKTRARNO IN TERMOELEKTRARNO

ê primerjamo med seboj delo, ki ga iztrìmo iz enega in drugega postrojenja, jespecifi~no delo g H⋅∆ (m2/s2 = J/kg) pri vodni elektrarni primerljivo s specifi~nimdelom cp·∆T (J/kg) pri termoelektrarni. Pri vodni elektrarni dobimo mehansko delos tem, da pada voda skozi turbino iz zgornjega v spodnji zbiralnik vode, pritermoelektrarni pa s tem, da "pada" toplota skozi turbino od temperature v parnemkotlu na temperaturo v kondenzatorju, slika 7.9.

Pri vodni elektrarni je energija son~nega sevanja tista, ki vrne vodo v za~etno lego,pri termoelektrarni pa spro~ena energija goriva (iz katere se napaja tudi elektro-motor kotlovske ~rpalke). Pri tem sta specifi~ni energijski veli~ini g H⋅∆ in cp·∆Tostali v teku celotnega povra~ljivega procesa pribli`no konstantni. Tako lahko za


Slika 7.9. Primerjava med vodno elektrarno in termoelektrarno

povra~ljiv proces brez izgub (notranji, mehanski in drugi izkoristki so enaki ena)med seboj primerjamo tudi izkoristek kro`nega procesa.

Vodna elektrarna:

η"t"do

= =⋅ ⋅ −

⋅ ⋅= −

W

W

m g H H

m g H

H

H

( )1 2

1

2

1

1 (7.19)

Termoelektrarna:

ηtdo

= =⋅ ⋅ −

⋅ ⋅= −

W

W

m c T T

m c T

T

Tp

p

( )1 2

1

2

1

1 (7.20)

Potencialno energijo vode lahko izkori~amo v ve~ stopnjah prav do morskegladine (H2 = H = 0). V tem teoreti~nem primeru se je energija vode popolnomapretvorila v (elektri~no) delo, energijski izkoristek je enak ena. Toploto pa lahko –vsaj na Zemlji – izkori~amo le do temperature okolice T2 = 300 K (in ne do T2 = T= 0 K). Energija toplote torej ni popolnoma pretvorljiva v druge oblike energij,zato energijski izkoristek ne more biti ena. Kot je znano, upoteva to "pomanjklji-vost" toplote eksergijski izkoristek, ki je lahko v teoreti~nem primeru enak ena.

7.5 Vodna elektrarna in okolje

Vodne elektrarne e desetletja ne bodo izgubile svoje pomembnosti. Nasprotno,gradnja vodnih elektrarn bo mo~no pridobila veljavo na podro~jih, kjer doslejvodna energija e ni bila izkori~ana. Tehni~ni problemi so znani, strokovnjaki jihobvladujejo, velikost postrojenj je odvisna le od zemljepisne lege in razpo-lo`ljivega pretoka vode.

Pri gradnji vodnih elektrarn gre za precejnje posege v naravo, kljub temu pa seokolje z gradnjo vodnih elektrarn ne kvari bistveno, v~asih se celo izbolja.

Slabe strani gradnje vodne elektrarne: izguba obdelovalne zemlje, premestitev cestin zgradb, sprememba viine talne vode v okolici elektrarne, pove~anje megle,spreminjanje jezerske gladine, slabe razkrajanje organskih snovi zaradi zmanjanekoli~ine kisika v vodi, zasipavanje jezera zaradi stalnega kopi~enja naplavin.

Dobre strani gradnje vodne elektrarne: u~inkovito namakanje zemlje, bolja pre-skrba s pitno vodo, meliorirana okolika zemlja in prepre~ena mo`nost poplav,urejena plovba.

216 VODNA ELEKTRARNA IN OKOLJE

8NEKONVENCIONALNI

ENERGIJSKI VIRI

Poglavje obravnava najva`neje mo`nosti izkori~anja tistih nekonvencionalnihobnovljivih energijskih virov, ki jih danes e ne izkori~amo v ve~ji meri.Akumulirana son~na energija, ki je shranjena v fosilnih gorivih itd. ni obravnavana,prav tako ne vodna energija, saj sta zaradi svoje pomembnosti obravnavani vpredhodnih poglavjih.

8.1 Zna~ilnosti

Obnovljivi primarni energijski viri so posledica jedrske fuzije na Soncu, razpadanjaizotopov razli~nih elementov v zemeljski notranjosti in planetarnega gibanjaZemlje. To primarno energijo pa ni mogo~e enozna~no pripisati posameznemuenergijskemu viru. Preglednica 8.1 prikazuje vire in red velikosti te primarneenergije.

Preglednica 8.1. Obnovljiva primarna energija

Vir energije Energija

Energija son~nega sevanjaGeotermalna energija ZemljeEnergija zaradi gibanja Zemlje

5'600'000·1018 J/a996·1018 J/a

94·1018 J/a

Najpomembneji vir energije je son~no sevanje, njegovo delovanje na Zemljo jerazvidno iz preglednice 8.2.

Preglednica 8.2. Porazdelitev son~nega sevanja na Zemlji

Energija son~nega sevanja 100,0 %

Energija, ki se na robu atmosfere odbija nazaj v vesoljeEnergija, ki se spremeni v toploto okoliceEnergija za izhlapevanje vode in za padavineEnergija za tvorjenje biomaseEnergija vetra, morskih valov in tokovEnergija teko~ih voda

30 %45,2 %22,1 %0,1 %2,5 %0,003 %

Kakne so na~elne mo`nosti izkori~anja obnovljivih energijskih virov prikazujeslika 8.1. Nekatere mo`nosti, na primer vodne elektrarne, izkori~a ~lovetvo èstoletja, druge so postale zanimive ele v zadnjem ~asu.

218 ZNAÎLNOSTI

Slika 8.1. Mo`nosti izkori~anja obnovljivih energijskih virov

Od vse son~ne energije je teoreti~no mogo~e izkori~ati pribli`no 0,3 %, kar pa jee vedno ve~, kot je vsa sedanja poraba koristne energije na svetu. Glavna teàvagospodarnega izkori~anja obnovljivih energijskih virov je majhna gostotaproizvodnje te vrste energije. To pomeni, da potrebujejo tehnologije za izkori~anjeteh vrst primarnih energijskih virov velike povrine in veliko materiala. Zato sotehni~ne reitve drage. Nadaljnja pomanjkljivost predvsem najpomembnejegavira, to je son~nega sevanja, je mo~no ~asovno spreminjanje ter neenakomernaporazdelitev te energije po povrini zemlje.

8.2 Son~no sevanje

Sonce oddaja energijo zaradi stalne jedrske fuzije, pri kateri se vodik spreminja vhelij. Vodik tvori pribli`no 60 %, helij pribli`no 35 %, vsi drugi elementi papribli`no 5 % mase Sonca. Jedrska fuzija se dogaja v notranjosti Sonca pri tempe-raturah (15–20) · 106 K in tlakih 1011 bar. Pri tem se na ra~un energije stalnozmanjuje masa za pribli`no 5 · 109 kg/s. Son~no sevanje je – fizikalno gledano –elektromagnetno sevanje ~rnega telesa pri temperaturi 5'760 K z valovnimidolìnami od ≈0,25 µm (ultravijoli~no sevanje) do ≈3 µm (infrarde~e sevanje).Gostota son~nega sevanja &wSl / (kW/(m2·µm)) je najmo~neja pri valovni dolìni

8 NEKONVENCIONALNI ENERGIJSKI VIRI 219

Slika 8.2. Spektralna porazdelitev gostote son~nega sevanja: A – son~nosevanje, pravokotno na morsko gladino, B – son~no sevanje na robu zemeljskeatmosfere, C – sevanje ~rnega telesa pri 5'760 K, ^ – difuzna komponenta prirahlo meglenem nebu, D – difuzna komponenta pri jasnem nebu

≈0,5 µm, ki leì v vidnem spektru sevanja (svetloba) in pripada zeleni barvi, slika8.2.

Na povrini Sonca je gostota sevanja 62 MW/m2, gostoto sevanja na robuzemeljske atmosfere pa dobimo, ~e integriramo sevanje ~ez vse valovne dolìne.Tako izra~unana konstanta, ki je potrjena z meritvami, je 1353 W/m2, pri tem jenatan~nost meritev ± 1,6 % (± 3,4 % zaradi letno spreminjajo~e se razdalje medZemljo in Soncem).

Na poti skozi atmosfero se gostota sevanja zmanja vsaj za tretjino in doseèzemeljsko povrino delno kot difuzno, delno kot direktno sevanje. To zmanjanjepovzro~a absorpcija sevanja na molekulah H2O, O3, O2 in CO2 v atmosferi termolekulah zraka in trdnih ter teko~ih delcih (prah, led, vodne kapljice itd.) vatmosferi v bliìni zemeljske povrine. Pod ugodnimi pogoji doseè gostotason~nega sevanja na povrini Zemlje vrednosti okoli 1000 W/m2. Dejansko jeson~no sevanje porazdeljeno po zemeljski povrini zelo neenakomerno in je mo~noodvisno od zemljepisne irine, obla~nosti, ~isto~e zraka itd.

Slika 8.3 prikazuje direktno dnevno sevanje pri jasnem nebu, in sicer na povrino,ki je ves ~as pravokotna na smer son~nih àrkov. Pri zemljepisnih irinah blizuekvatorja je sevanje vse leto pribli`no konstantno, medtem ko je pri ve~jih irinahsevanje zelo odvisno od letne dobe. Ta okoli~ina mo~no oteùje izkori~anjeson~ne energije, zaradi tega so namre~ nujni hranilniki energije, to pa je problem,ki do danes e ni zadovoljivo reen.

220 SON^NO SEVANJE

Slika 8.3. Srednja dnevna direktna energija sevanja na enoto povrine,postavljene pravokotno na son~ne àrke za razli~ne zemljepisne irine prijasnem nebu (dnevi so teti od za~etka pomladi)

Vodoravno leè~e povrine sprejemajo ob~utno manj energije, slika 8.4, kar jeposebej o~itno pozimi in pri ve~jih zemljepisnih irinah. Namesto povpre~no 7,4kW h/m2 pri optimalnih sprejemnih legah, je ta izra~unana vrednost pri horizon-talnih legah na ekvatorju le 5,5 kW h/m2. V bliìni polarnega kroga pa se zmanjana 3,2 kW h/m2.

Za Slovenijo so izmerjene vrednosti za povpre~no dnevno energijo son~negasevanja v juliju od 4,30 kW h/m2 do 5,80 kW h/m2 in v januarju od 0,83 kW h/m2

do 1,34 kW h/m2, letno povpre~je je pribli`no 3,1 kW h/m2.

8.2.1 Sprejemniki son~ne energije

Son~ni kolektorji ali sprejemniki son~ne energije spreminjajo sevalno energijosonca v toploto. Idealna povrina sprejemnika absorbira vse valovne dolìneson~nega sevanja λ = 0,3–3,0 µm. Imamo sprejemnike, ki to toploto dvigajo navijo temperaturno stopnjo, in son~ne sprejemnike, ki te toplote ne "koncentrirajo",to je, ne dvignejo jo na viji temperaturni nivo. Ti dve vrsti sprejemnikov son~neenergije se razlikujeta po razmerju med sprejemno plo~ino AR in absorpcijsko AA;to razmerje se imenuje razmernik koncentracije:

ξ =A

AR

A

(8.01)


Slika 8.4. Srednja dnevna direktna energija sevanja za razli~ne zemljepisneirine pri vodoravno leè~i povrini in jasnem nebu (dnevi so teti od za~etkapomladi)

Glede na razmernik koncentracije ξ (eno-, dvo- ali tridimenzijska koncentracijaenergije) razlikujemo tiri glavne vrste sprejemnikov son~ne energije, slika 8.5 inpreglednica 8.3.

Uporaba sprejemnikov son~ne energije je glede na razmernik koncentracije intemperaturno obmo~je razli~na:

• Plo~ati, nepremi~ni sprejemniki son~ne energije za direktno in difuznosevanje. Primerni so za pripravo tople vode (sanitarna voda, voda za bazene),za ogrevanje in klimatizacijo.

• Paraboli~ni sprejemniki son~ne energije, vodljivi glede na poloàj sonca nanebu, son~no sevanje je koncentrirano enodimenzionalno. Primerni so zapripravo toplote za procesno tehniko (priprava pitne vode iz morske), zaogrevanje, hlajenje in klimatizacijo.

• Paraboloidni sprejemniki son~ne energije, vodljivi glede na poloàj sonca nanebu, son~no sevanje je koncentrirano dvodimenzionalno. Primerni so za

222 SON^NO SEVANJE

Slika 8.5. Vrste sprejemnikov son~ne energije: A – plo~ati sprejemnik, B – pa-raboli~ni sprejemnik, C – paraboloidni sprejemnik, ^ – heliostat s sprejemnimstolpom

Preglednica 8.3. Glavne vrste sprejemnikov son~ne energije

Vrsta sprejemnika son~neenergije

Razmernik koncentracijeξ = AR/AA

Temperaturno obmo~jedelovanja, T / °C

A plo~ati, nepremi~niB paraboli~ni, vodljiviC paraboloidni, vodljivi^ heliostati, vodljivi

110 – 50

150 –1000400 –1500

20 – 90100 – 300200 – 600500 – 3000

pripravo toplote za procesno tehniko, za ogrevanje, hlajenje in pripravo elek-tri~ne energije.

• Heliostati so zrcala, ki usmerjajo son~no sevanje na skupni sprejemnik, vodljiviso glede na poloàj sonca na nebu, son~no sevanje je koncentrirano dvo-dimenzionalno. Primerni so za pripravo elektri~ne energije in toplote zaprocesno tehniko (izdelava zlitin).

Osnovna zgradba plo~atega sprejemnika son~ne energije, ki toplote ne dviga navijo temperaturno stopnjo, prikazuje slika 8.6. Sestavljen je iz absorberja (~rnaplo~a), cevi za dovod in odvod delovne snovi (voda, zrak), prozornega za~itnegapokrova (steklo), toplotne izolacije (mineralna volna) in okvirja. Delovna snovprenaa toploto od sprejemnika son~ne energije v hranilnik ali naravnost kporabnikom po znani ena~bi:

&

&Q m c Tp= ⋅ ⋅∆ (8.02)

Sprejemniki son~ne energije z vijim razmernikom koncentracije doseèjo zelovisoke temperature, segrejejo in uparijo lahko primerno delovno snov, ki èneparno ali plinsko turbino v zaprtem kro`nem procesu za preskrbo z elektri~noenergijo. Doseène temperature dovoljujejo pripravo toplote celo za visokotem-peraturne metalurke procese.

Izkoristek son~nega kolektorja je odvisen od precejnjega tevila parametrov;izgube je mogo~e razvrstiti v dve veliki skupini: v opti~ne in toplotne. Medtem koso opti~ne izgube odvisne le od lastnosti materialov sprejemnika son~ne energije,so toplotne izgube odvisne predvsem od doseènih temperaturnih razlik, slika 8.7.

η η ρ τ αξ

σ α λe t

S

= − = ⋅ ⋅ −+ +

⋅0 xq q q

w

& & &

&

(8.03)

Opti~ni izkoristek kolektorja dosega vrednosti vrednosti η0 = 0,7–0,8 in je odvisenod:


Slika 8.6. Shemati~ni prikaz plo~atega son~nega kolektorja (ξ = 1): A – okvir,B – izolacijska plast, C – prozorni pokrov, ^ – absorber, D – cevi za delovnosnov

• reflektivnosti zrcala ρ / –• prepustnosti stekla τ / –• absorptivnosti sprejemne povrine α / – in• drugih izgub, na primer od (ne)natan~nosti vodenja kolektorja glede na poloàj

sonca.

Toplotne izgube kolektorja pa so odvisne od:

• izgub zaradi sevanja &qσ / (W/m2)• izgub zaradi konvekcije &qα / (W/m2)• izgub zaradi prevoda &qλ / (W/m2)• razmernika koncentracije ξ in• gostote toka son~nega sevanja &wS / (W/m2.)

Toplotne izgube so ugotovljene izkustveno z meritvami in so mo~no odvisne odvrste sprejemnika. Za toplotni tok, ki ga je mogo~e izkoristi, velja:

&

&Q A w= ⋅ ⋅ηe S (8.04)

Izgube v sprejemniku stolpa pa je mogo~e razvrstiti na tri ve~je skupine: izgubezaradi konvekcije, reemisije in refleksije.

224 SON^NO SEVANJE

Slika 8.7. Primer za izgube vodljivega son~nega kolektorja (ξ > 1): A – reflek-tivnost zrcala, B – prepustnost stekla, C – absorptivnost povrine, ^ – drugenepopolnosti, D – konvekcija, E – sevanje, F – dejanski izkoristek

8.2.2 Son~ne celice

Pretvorba sevalne energije sonca v toploto je sicer dobrodola reitev, vendar neprispeva bistveno k reevanju t. i. energetske krize, o kateri se pogosto pie ingovori. Dejansko gre pri energetski krizi predvsem za zagotovitev preskrbe zelektri~no energijo, torej za zagotovitev energije v obliki mehanskega dela innikakor ne za zagotovitev energije v obliki toplote.

Pretvorba sevalne energije sonca v elektri~no je izvedljiva v son~nih celicah.Sprememba je elegantna, saj poteka direktno in brez vmesne preobrazbe v toploto,kot je to primer pri toplotnih kro`nih procesih. Pri izkori~anju energije son~negasevanja bodo zato imele son~ne celice v prihodnje zelo pomembno vlogo.

Son~ne celice delujejo po principu fotoelektri~nega ali fotovoltai~nega pojava: prinekaterih polprevodnikih povzro~a absorpcija svetlobe, tj. elektromagnetnovalovanje, nastanek elektri~ne napetosti in kot posledica te napetosti nastanekinduciranega elektri~nega toka. Zna~ilno za polprevodnike je, da prevajajoelektri~ni tok samo v eni smeri, da torej delujejo kot diode.

Najbolj razirjen polprevodniki material je silicij Si, ki ga je v zemeljski skorji28 %. Zgradbo son~ne celice, ki spreminja son~no sevanje v elektri~no energijo,prikazuje slika 8.8. Direktna in difuzna svetloba seva skozi antirefleksijsko plast natanko polprevodniko plo~o. Pri tem mora imeti polprevodnik pravilno kristalnostrukturo in visoko ~istoto. Absorpcija son~nega sevanja povzro~a, da se v mate-rialu polprevodnika sprostijo prosti naboji: negativno nabiti elektroni in pozitivnonabite "vrzeli". Elektron v atomu preide iz t. i. valen~nega podro~ja, v katerem senahaja v normalnem stanju, v t. i. prevodno podro~je, pri tem ostane v valen~nempodro~ju vrzel. Zaradi prigrajenega zunanjega elektri~nega polja ostanejo ti nabojilo~eni in potujejo k obema elektrodama. Ta pojav, ki ga povro~i absorpcijason~nega sevanja, je moèn tudi na sti~ni ploskvi med nekaterimi polprevodniki inkovino, pa tudi na sti~ni ploskvi med dvema razli~nima polprevodnikoma. Gledena to se son~ne celice delijo na tri osnove vrste:


Slika 8.8. Shemati~ni prikaz son~ne celice: A – antireflekcijski sloj, B – ~elnapolprevodnika plo~a, C – mejna plast (podro~je, kjer se spro~ajo naboji),^ – osnovna polprevodnika plo~a, D – kovinski elektrodi, odvod elektri~negatoka

– homogene son~ne celice; ~elna in osnovna plo~a sta iz enakega polprevod-nikega materiala, na primer Si/Si;

– kovinske son~ne celice; na osnovni polprevodnik je naparjena tanka ~elnakovinska plast, na primer Al/Si;

– heterogene son~ne celice; ~elna in osnovna plo~a sta iz razli~nih polpre-vodnikih materialov.

V elektri~no energijo se spreminja samo del sevalne energije sonca. Pri silicijevison~ni celici, ki je najbolj razirjena, je to pri valovni dolìni λ = 1,15 µm.Dolgovalovna svetloba za pretvorbo nima dovolj energije in se spreminja v toploto.V toploto se spreminja tudi del kratkovalovne svetlobe, ki ima sicer dovoljenergije, da izbije elektrone, kljub temu pa ne prispeva k nastajanju elektri~nihnabojev. Zato je v najugodnejih razmerah teoreti~ni izkoristek son~ne celice okrog28 %. Laboratorijsko so bili doseèni izkoristki do 21 %, v praksi do 17 %. Pri temje izkoristek vedno razmerje med proizvedeno elektri~no energijo in dovedenoenergijo son~nega sevanja. Za homogene silicijeve son~ne celice je zna~ilnaelektri~na napetost 0,7 V, medtem ko je jakost elektri~nega toka odvisna od jakostison~nega sevanja.

Po grobi oceni lahko v Sloveniji obratujejo son~ne celice okrog 1200 ur na leto.

Zgled. Son~ne celice in proizvodnja elektri~ne energije v Sloveniji

Kakna je teoreti~no potrebna povrina zemlje za son~ne celice, da se pridobi elek-tri~na energija, ki jo letno potrebuje Slovenija?

Povpre~na dnevna energija son~nega sevanja: wS = 3,1 kW h/(m2 d)

Povpre~na letna energija son~ega sevanja: wS = 3,1 · 3,65 = 1131 kW h/(m2 a)

Izkoristek son~ne celice: ηSC = 0,15

Povpre~na leta energija son~nega sevanja, ki sev son~ni celici pretvori v elektri~no energijo: ηSC· wS = 170 kW h/(m2 a)

Letna proizvodnja elektri~ne energije v Sloveniji WE = 14 · 109 kW h/a

Potrebna povrina, pokrita s son~nimi celicami:W

wE

SCSη

⋅ = 82 · 106 m2

Na 1 m2 povrine son~ne celice dobimo v Sloveniji na leto pribli`no 170 kW helektri~ne energije, teoreti~no potrebna povrina zemlje za namestitev son~nih celicpa je pribli`no 82 km2 (9 km × 9 km).

Poglavitne teàve uporabe son~nih celic pri preskrbi z elektri~no energijo sopovezane z velikimi stroki investicije in kratko trajnostno dobo son~nih celic, kiodlo~ilno vplivata na zaenkrat (pre)visoko ceno proizvedene elektri~ne energije.Proizvodnja elektri~ne energije je neenakomerna, zato je treba poskrbeti za ustrez-no shranjevanje energije, kar je povezano z dodatnimi stroki.

226 SON^NO SEVANJE

8.3 Energija biomase

Energija son~nega sevanja se v naravi spreminja s fotosintezo v kemi~no energijo.Del te energije potrebujejo organizmi za ohranjanje ìvljenja, del energije je narazpolago v obliki biomase. Biomasa so vse snovi organskega tkiva (rastlinskega inìvalskega izvora, ìvega in odmrlega), ki je nastal z biosintezo. Najve~ji delbiomase rabi zopet za hrano drugim organizmom, manji del je na razpolago zapretvarjanje v koristno energijo. Tudi fosilna goriva, ki jih danes uporabljamo, sospremenjena oblika biomase.

Pridobivanje koristne energije iz biomase je mogo~e razdeliti na termokemi~ne,ekstraktivne in bioloke procese.

Med termokemi~ne procese spadajo:

• trda goriva, ki niso fosilnega izvora, na primer les, slama itd.;• uplinjanje brez prisotnosti zraka (piroliza), na primer strupeni odpadki;• uplinjanje z delnim dovodom zraka, na primer ota.

Med ekstraktivne procese spada:

• ekstrakcija razli~nih rastlinskih olj, na primer oljna repica, son~nice, soja itd.

Med bioloke procese spadajo:

• hidroliza in vrenje brez prisotnosti zraka za pridobivanje etanola in butanola, naprimer iz rastlin, ki vsebujejo nekaj sladkorja, kroba ali celuloze;

• gnitje brez prisotnosti zraka za pridobivanje bioplina (metana), kamor spadajoìvinski odpadki, mulj komunalnih ~istilnih naprav in ostanki ìvilsko-prede-lovalne industrije.

Tehnoloki postopki za pridobivanje energije iz biomase so zelo razli~ni in spadajona rob obravnavanega podro~ja energetskih sistemov. Ta energija je po kon~nemtehnolokem postopku na razpolago kot toplota ali pa kot kemi~no vezana energija.Toda tudi ta kemi~no vezana energija se v nadaljnjem tehnolokem postopkuzgorevanja pretvori v toploto. V Sloveniji ima bodo~nost predvsem termokemi~niproces zgorevanja, in sicer:

• razli~nih lesnih ostankov, àganja itd. iz industrijskih obratov in• lesne mase, pridobljene direktno iz gozda, kot posledice vzdrèvanja in ~i~e-

nja gozdnih povrin, ki se v Sloveniji è nekaj desetletij irijo.

Kurilnost lesa je odvisna od vsebnosti vlage. Sveè posekan les ima vsebnost vlageod 50 % do 60 % in kurilnost 7'000 do 8'000 kJ/kg, popolnoma suh les pa 19'000kJ/kg. Zna~ilno za pridobivanje energije iz biomase je velika poraba energije zapripravljalna dela. Pri tem pa je za to pripravo potrebno dragoceno ~loveko inmehansko delo (elektri~na energija), iz biomase pa se po pretvorbi pridobi letoplota.


Zgled. Pridobivanje metana iz komunalnih odpadkov v ljubljanskempodjetju Snaga

Mesto Ljubljana in okoliki kraji imajo na Barju urejeno skupno centralno odla-gali~e industrijskih, komunalnih in drugih odpadkov. Koli~insko je najve~komunalnih odpadkov, ki so nasuti pribli`no 20 m debelo nad barjansko osnovo. Vta urejena odlagali~a komunalnih odpadkov so postavljene navpi~ne cevi, ki sopreluknjane, in na vrhu v vodoravni smeri povezane v celoto. Ker gre v precejnjimeri za organske odpadke, se v teh odpadkih 10 let in ve~ tvori metan. To jeanaerobna pretvorba in gnitje, ki ni eksotermno. Zaradi podtlaka, ki je vzpostavljenv celotnem cevovodnem sistemu, te~e metan skozi luknje v cevovod in ne naprosto. Tako zbrani bioplin se vodi v posebne hranilnike in rabi za gorivo plinskihmotorjev. Pridobljeni metan zadostuje za pogon tirih plinskih motorjev s skupnomo~jo 800 kW, proizvedena elektri~na energije gre v javno elektri~no omre`je. Toje preprost in u~inkovit na~in izkori~anja odpadne biomase.

8.4 Energija vetra

Del razpolo`ljive energije son~nega sevanja se v zemeljski atmosferi spreminja vnotranjo in kineti~no energijo zra~nih mas; ta energija, ki je posledica segrevanjazraka, izhlapevanja in kondenzacije vode ter vrtenja zemlje okoli lastne osi, pa niporazdeljena enakomerno po zemeljski obli, odvisna je od son~nega sevanja,odboja, absorpcije, konvektivnega in latentnega prenosa toplote. Zaradi teganastajajo v troposferi, to je v spodnjem delu zemeljske atmosfere, tla~ne razlike, kise izena~ujejo z zra~nimi tokovi. Pojem 'veter' ozna~uje gibanje zra~nih mas gledena povrino Zemlje. Hitrost vetra je torej hitrost zra~nih mas glede na Zemljinopovrino. V ni`jih plasteh se zra~ne mase gibljejo (piha veter) zaradi lokalnihrazlik atmosferskega tlaka, nad ≈1000 m viine (na morju è pri manjih viinah)sledi tok zraka linijam konstantnega tlaka (enakomerno gibanje zra~nih mas rela-tivno glede na povrino Zemlje). Ve~anje hitrosti vetra z nara~ajo~o oddaljenostjood zemeljske povrine je torej vezano tudi s spremembo smeri vetra. Zaizkori~anje energije vetra so zanimive predvsem ni`je zra~ne plasti ob zemeljskipovrini. Debelina mejne plasti zra~nega toka (vetra) je odvisna od zemeljskepovrine: pri gladkih povrinah (voda, sneg, pu~ava) je debela nekaj milimetrov,pri gozdovih pribli`no 10 m.

Za dolo~itev kineti~ne energije vetra za neki izbrani kraj niso potrebne samomeritve povpre~nih vrednosti za dalje ~asovno obdobje, ampak tudi meritve urnihin dnevnih vrednosti; od tod je mogo~e dobiti povpre~ne dnevne in povpre~nemese~ne vrednosti. Pri tem je treba upotevati, da je hitrost vetra vektor: ima smerin velikost, kar je najpogosteje prikazano s t. i. ''vetrnimi roàmi''. To so grafi, ki soza dolo~en kraj za glavne nebesne smeri narisane povpre~ne letne hitrosti vetra. Te

228 ENERGIJA VETRA

povpre~ne vrednosti vetra se od leta do leta lahko razlikujejo tudi za 20 %. Vedetije namre~ treba, da povpre~ne vrednosti zakrivajo trenutni pojavi: brezvetrje,majhne hitrosti vetra, ki so za izkori~anje energije neuporabne, in velike hitrostivetra, ki so zaradi mogo~ih pokodb stroja zopet neuporabne. Hitrost vetra jenaklju~na funkcija, njeno porazdelitev je mogo~e opisati s statisti~no matematiko,pogosto pa z Weibullovo porazdelitveno funkcijo.

Potek hitrosti v turbulentni, stacionarni in izotermni mejni plasti na zemeljskipovrini ne sledi popolnoma klasi~ni teoriji mejnih plasti. Dobro jo opisuje ena~ba:

v vH

H

n

H XX

= ⋅

(8.05)

pri tem je vX znana hitrost vetra na znani viini HX, vH hitrost vetra na viini H, n paizkustveno dolo~en eksponent. Njegova vrednost je od 0,10 do 0,24, pri tem veljajoni`je vrednosti eksponenta za ravne povrine. ê predpostavimo, da so meritvevetra ve~inoma opravljene na viini 10 m nad tlemi, potem je ocenjena vrednost zaSlovenijo:

v vH

H 10

0,17

= ⋅

10

(8.06)

Po tej ena~bi se podvoji energija vetra pri viini 39 m nad tlemi. Prvi pogoj zagradnjo energetskih postrojev, ki bi izkori~ali kineti~no energijo vetra, so sevedadovolj velike hitrosti, v0 ≥ 3 m/s.


Slika 8.9. Srednje mese~ne hitrosti vetra za Jezersko, Ajdov~ino in Ljubljanoza obdobje od 1956 do 1975

Srednje mese~ne hitrosti vetra za nekatere kraje v Sloveniji prikazuje slika 8.9. Kergre za povpre~ne vrednosti v enem mesecu, mo~neji sunki vetra niso vidni, pravtako ne brezvetrje; mogo~e pa je razbrati, da so hitrosti vetra v zimskem ~asu ve~jekot v letnem, kar velja predvsem za primorske in hribovite kraje. Slika 8.10 paprikazuje primer za urejeni letni diagram za povpre~ne urne hitrosti vetra. Ne greve~ za povpre~ne mese~ne vrednosti, ampak za povpre~ne urne, razen tega soizmerjene vrednosti urejene po velikosti. Potek hitrosti na sliki je neugoden: lenekaj sto ur na leto piha mo~an veter (burja!), ve~ji del leta pa so hitrosti vetranizke.

Vzemimo, da se celotna kineti~na energija vetra spremeni v mehansko delo, karseveda ni mogo~e, saj bi v tem primeru morala biti hitrost vetra za vetrnico enakani~. Velja:

W mv

max = ⋅ 02

2(8.07)

Z upotevanjem kontinuitetne ena~be dobimo za celotni energijski tok zraka skozivetrnico:

P A vv

max = ⋅ ⋅ ⋅ρ 1 002

2(8.08)

pri tem je ρ gostota zraka, A1 povrina vetrnice, pravokotno na smer vetra, in v0

hitrost vetra pred vetrnico. Pri povpre~ni gostoti zraka ρ ≈ 1,22 kg/m3 glede na tlakin temperaturo okolice je gostota mo~i vetra:

230 ENERGIJA VETRA

Slika 8.10. Urejeni letni diagram za srednje urne hitrosti vetra za Ajdov~ino zaobdobje od 1975 do 1984

P

A

vvmax ,

1

03

03

20 61= ⋅ ≈ ⋅ρ (8.09)

Hitrost vetra je torej odlo~ujo~a veli~ina. Kot je znano, je od celotne mo~i vetramogo~e teoreti~no izkoristiti najve~:

P P P= ⋅ = ⋅ηa max max

16

27(8.10)

kjer je ηa = 16/27 = 0,593 aerodinami~ni izkoristek, poznan tudi pod imenomBetzovo tevilo, upoteva pa preprosto dejstvo, da kineti~na energija vetra zaradikontinuitetne zakonitosti ni poljubno pretvorljiva. Teoreti~no je torej mogo~e zvetrnico spremeniti v mehansko delo le 59 % kineti~ne energije vetra. Iz ena~b(8.09) in (8.10) dobimo ena~bo:

P

Av

1030 36≈ ⋅, (8.11)

ki je izvrednotena na sliki 8.11. Dodana je Beaufortova skala za veter. Dejanskamo~ vetrnice Pe je manja, saj je treba upotevati notranji izkoristek vetrnice ηi,mehanski izkoristek ηm, izkoristek zobnikega reduktorja ηR in izkoristek genera-torja ηG:

P Pe a i m R G= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅η η η η η max (8.12)

Kot vsi turbinski stroji ima tudi vetrnica najbolji notranji izkoristek samo priimenski hitrosti vetra, pri vseh drugih hitrostih je izkoristek manji. Ker nima


Slika 8.11. Gostota mo~i vetra v odvisnosti od hitrosti in primerjava z Beaufor-tovo skalo

vodilnika ampak samo gonilnik, notranji izkoristek vetrnice ni prav posebno velik,bolji je pri ve~jih strojih.

Iz teorije turbinskih strojev je znano, da je notranji izkoristek stroja ηi odvisenpredvsem od razmerja (u/v0), pri vetrnici od razmerja med obodno hitrostjo na vrhulopate u in absolutno hitrostjo vetra pred vetrnico v0. Razli~ne konstrukcije vetrnicz ve~ ali manj lopaticami in njihove dejanske izkoristke je tako mogo~e medse-bojno primerjati. Poznanih je mnogo razli~nih konstrukcij vetrnic, najve~krat so tistroji aksialni in nadtla~ni.

Vetrnice, ki so namenjene za pretvorbo kineti~ne energije vetra v mehansko innaprej v elektri~no, so doìvele v zadnjih letih izreden razvoj. Tako silovit razmahteh turbinskih strojev je mogo~e pri~akovati tudi v naslednjih letih, predvsemvetrnic s tremi lopatami. Imenska mo~ vetrnic v obratovanju je presegla 32'000MW. V poskusnem obratovanju je vetrnica s premakljivimi lopatami in spremen-ljivo vrtilno frekvenco ter za ve~je hitrosti vetra. Primerna je za postavitev namorju, njena elektri~na mo~ je 4,5 MW. V ugodnih razmerah obratujejo vetrneelektrarne, ki so postavljene na kopnem, letno od 1'800 do 2'200 ur in elektrarne, kiso postavljene v bliìni obale v plitvem morju, od 3'500 do 4'000 ur. Slovenija nivetrovna deèla, zato nima veliko krajev, ki bi bili primerni za postavitev vetrnihelektrarn.

Dejanske izkoristke nekaterih vrst vetrnic v odvisnosti od razmerja (u/v0) prikazujeslika 8.12. Vetrnice, ki imajo majhne vrednosti za (u/v0), imajo velik moment in so

232 ENERGIJA VETRA

Slika 8.12. Izkoristki nekaterih zna~ilnih vrst vetrnic v odvisnosti od razmerjahitrosti (u/v0): A – ηa = 16/27, B – amerika vetrnica z ve~ lopaticami, C –Savoniusova vetrnica, ^ – sodobna vetrnica s tremi lopaticami, D – vetrnicaklasi~nega mlina na veter, E – sodobna vetrnica z dvema lopaticama, F –Darrieusova vetrnica

zato primerne na primer za pogon batnih ~rpalk. Vetrnicam, ki imajo velike vred-nosti za (u/v0), je pri zagonu potrebno spremeniti smer lopat ali pa vetrnico zagnatiz elektromotorjem. Strme karakteristike so zna~ilne za po~asne stroje z nepremak-ljivimi lopatami, polo`ne karakteristike pa za hitre stroje z vodoravno osjo inpremakljivimi lopatami. Te vrste turbinskih strojev so najobetavneje. Pripo-ro~ljivo je, da je vrtilna frekvenca vetrnice premo sorazmerna s hitrostjo vetra.Tako se izbolja letno povpre~je proizvodnje energije posebno tam, kjer se hitrostivetra mo~no spreminjajo.

8.5 Energija morja

Energijo morja je mogo~e deliti na: notranjo energijo morja, kineti~no energijomorskih tokov in potencialno energijo valov in bibavice. Izkori~anje energijemorja je povezano z velikimi investicijskimi stroki in je le v redkih primerihgospodarsko upravi~eno.

8.5.1 Notranja energija morja

Notranja energija morja je od vseh vrst energij morja najve~ja, njeno izkori~anjepa je omejeno na tropske in subtropske predele. V tropskih delih oceanov jetemperatura vrhnje plasti vode do globine okoli 100 m stalno med 27 °C in 29 °C.Temperatura vode se mo~neje znià ele pri globini 150 m in doseè v morskihglobinah od 500 m do 1000 m konstantne vrednosti od 6 °C do 8 °C. V celotnemekvatorialnem pasu je na razpolago med povrino morja in globino 1000 mpovpre~na letna temperaturna razlika od 20 K do 24 K. ê pa vzamemo razlikoglobin 500 m, kaèjo e vedno obirna morska podro~ja stalno temperaturnorazliko 20 K. Termi~ni izkoristek takega toplotnega postrojenja je zaradi majhnetemperaturne razlike majhen:

ηtdo od

do

=−

= =T T

T

20

3010 0664, (8.13)

Dejanski izkoristek je manji, mogo~e ga je oceniti na ηe ≈ 0,03. Pri tako majhnemizkoristku je treba za 1 MW elektri~ne mo~i dovajati 33 MW in odvajati 32 MWtoplotne mo~i. Za delovno snov so primerni amoniak, freon, propan itd. Poskusnopostrojenje te vrste OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) je postavljeno naHavajih, shemo takega postrojenja prikazuje slika 8.13.

Povpre~no letno son~no sevanje v zemljepisnih irinah v bliìni ekvatorja je 200W/m2; za izhlapevanje se porablja pribli`no polovica te energije, polovica paostane za ogrevanje morske vode, ki te~e nato kot topli morski tok k ve~jimzemljepisnim irinam. Vzemimo, da se pretvori od 1 % do 5 % sevalne energije v


elektri~no delo z dejanskim izkoristkom ηe = 0,03. S temi realnimi predpostavkamidobimo elektri~no mo~ od 30 kW/km2 do 150 kW/km2; o~itna je majhna gostotadoseène elektri~ne mo~i na enoto zemeljske povrine.

8.5.2 Energija morskih tokov

Za morski tok velja enako kot za veter:

P A vv

max = ⋅ ⋅ ⋅ρ 1 002

2(8.14)

pri tem je ρ gostota vode, A1 prerez vodne turbine, pravokotno na smer toka, in v0

hitrost vode pred turbino. Pri povpre~ni gostoti morske vode ρ ≈ 1025 kg/m3 jegostota mo~i morskega toka:

P

A

vvmax

1

03

03

2512= ⋅ ≈ ⋅ρ (8.15)

Hitrost morskega toka je torej odlo~ujo~a veli~ina. Kot je znano, je od celotnegamorskega toka mogo~e teoreti~no izkoristiti najve~:

P P P= ⋅ =ηa max max

16

27(8.16)

Iz ena~b (8.15) in (8.16) dobimo ena~bo:

P

Av

103304≈ ⋅ (8.17)

234 ENERGIJA MORJA

Slika 8.13. Shema postrojenja, ki izkori~a toploto morja

Legenda:

p / bar h / (kJ/kg)

&m / (kg/s) T / °C

Dejanska mo~ vodnega toka Pe je manja, saj je treba upotevati notranji izkoristekvodne turbine ηi , mehanski izkoristek ηm itn.

Vzemimo za primer Zalivski tok, ki ima v svojem jedru v bliìni Floride irino 50km, globino 100 m in nadpovpre~no veliko hitrost 1,8 m/s. Teoreti~na mo~ je okoli9000 MW, prakti~no pa smemo ra~unati z izkoristkom ηe = 0,5 in z dejstvom, dazaradi mo~nega vpliva Zalivskega toka na podnebje Evrope toka ne smemo preve~upo~asniti. Ra~una se, da bi bilo mogo~e pridobiti okoli 1000 MW elektri~ne mo~i.Izkori~anje kineti~ne energije morskih tokov nima velike bodo~nosti.

8.5.3 Energija bibavice

Bibavica morja je posledica vrtenja Zemlje in isto~asnega delovanja sileprivla~nosti mase Lune in mase Sonca. Na odprtem morju je razlika med plimo inoseko nekaj manj kot 1 m. Ta razlika se lahko zaradi resonan~nih pojavov in efektalijaka na nekaterih morskih obalah pove~a do 20 m in nastopa v poldnevnem alicelodnevnem ritmu. Gospodarno je mogo~e izkori~ati bibavico, ~e je na razpolagoprimeren zaliv, ki ga je mogo~e pregraditi, in ~e je razlika med plimo in oseko od3 m do 5 m. Takih zalivov je na zemlji okrog 30.

Celotna potencialna energija vode v pregrajenem zalivu:

W m g Hmax = ⋅ ⋅∆ (8.18)

Z upotevanjem kontinuitetne ena~be dobimo celotno mo~:

Pm

tg H

A H

tg Hmax = ⋅ ⋅ =

⋅ ⋅⋅ ⋅∆

∆∆

ρ(8.19)

pri tem je ρ ≈ 1025 kg/m3 gostota morske vode, g zemeljski pospeek, DH razlikamorske gladine med plimo in oseko in A povrina jezera za pregrado. âs medplimo in oseko je t = 12 h 25 min = 44'700 s. Po preureditvi ena~be (8.19) dobimo:

P

AHmax ,≈ ⋅0 225 2∆ (8.20)

Dejanska mo~ Pe je manja, saj je treba upotevati notranji izkoristek stroja ηi,mehanski izkoristek ηm, stalno menjajo~o se razliko viine DH itn.

Doslej obratuje ena sama ve~ja vodna elektrarna in nekaj manjih, ki izkori~ajorazliko gladine morja, nastale zaradi bibavice. Francozi so na ugodnem mestu s750 m dolgim betonskim jezom pregradili ustje reke La Rance. Za pregrado jenastalo jezero s pribli`no 180 · 106 m3 vode in plo~ino 22 km2. Elektrarna obratujena leto okrog 2'100 ur. Nekaj tehni~nih podatkov:

• elektri~na mo~ (24 Kaplanovih turbin): 240 MW• letna proizvodnja elektri~ne energije: 500 do 600 GW h• viinska razlika: 3,5 do 14,5 m (srednja vrednost 9,2 m)• pretok vode: 18'000 m3/s.


8.5.4 Energija morskih valov

Morski valovi so v glavnem posledica energije vetra, pri tem je energija valovsestavljena iz kineti~nega in potencialnega dela, pri ~emer navadno upotevamo lepotencialni del. Za ra~unanje pomikajo~ega se vala je navadno predpostavljenosinusoidno valovanje s kratko valovno dolìno nasproti globini (valovi v globokivodi, brez vpliva obre`ja).

Masa morske vode, ki se spreminja v valu dolìne L:

mB H

L= ⋅ ⋅⋅

⋅ρ2 2 2

∆(8.21)

Celotna energija vala na ~asovno enoto:

Pm

tg

Hmax = ⋅ ⋅

⋅∆

2 2=

ρt

B HL g

H⋅ ⋅

⋅⋅ ⋅ ⋅

⋅2 2 2 2 2

∆ ∆=

ρ ⋅⋅

⋅⋅

g B H

tL

16

2∆(8.22)

pri tem je m masa vode, ki valovi, gostota morske vode ρ ≈ 1025 kg/m3, celotnaamplituda vala DH, razmik med dvema valoma B, ~as med njima t in dolìna valaL. Nadalje je bila za odprto morje z meritvami ugotovljena empiri~na povezavamed frekvenco valovanja 1/t in razmikom med dvema valoma B:

tB

g=

⋅ ⋅2 π(8.23)

Povezava med ena~bo (8.22) in (8.23) nam da mo~ vala na enoto dolìne L:

P

L

gt Hmax =

⋅⋅

⋅ ⋅ρ 2

2

32 π∆ (8.24)

P

Lt Hmax ≈ ⋅ ⋅981 2∆ (8.25)

236 ENERGIJA MORJA

Slika 8.14. Stroj za pretvarjanje potencialne energije valov v mehansko delo

Dejanska mo~ Pe je manja, saj je treba upotevati notranji izkoristek stroja ηi,mehanski izkoristek ηm, stalno menjajo~o se razliko viine DH itn.

Vzemimo val povpre~ne viine DH = 1,5 m in ~as med dvema valoma t = 8 s,potem dobimo Pe/L = 17'700 W/m. Pri ocenjenem izkoristku ηe = 0,2 potrebujemoza 1 MW elektri~ne mo~i valovno fronto dolìne L = 280 m.

Primer, kako pretvoriti energijo morskih valov v mehansko delo in naprej velektri~no energijo, prikazuje slika 8.14. Valovna fronta povzro~a osciliranjeplovcev, ki so povezani s skupno cevjo. Cev je postavljena vzporedno z valo-vanjem. Oscilirajo~i nosovi teh plovcev tla~ijo olje na tlak od 150 do 200 bar.Komprimirano olje je nato uporabljeno za pogon hidravli~nega motorja, ki poganjaelektri~ni generator. Slovensko morje je premelo valovito, zato ni primerno zapostavitev takih elektrarn.

Preglednica 8.4. Specifi~ne mo~i pri izkori~anju nekaterih nekonvencionalnihvirov energije

Kineti~na energijavetra

Kineti~na energijamorskih tokov

Potencialna energijabibavice

Potencialna energijamorskih valov

P Av

max = ⋅ ⋅ρ 103

2

P P= ⋅ηa max =

= ⋅16

27Pmax

P

A

ve

1e a= ⋅ ⋅ ⋅η η ρ 0

3

2

ρ = 1,22 kg/m3

P

Ave

1e0,36≈ ⋅ ⋅η 0

3

P Av

max = ⋅ ⋅ρ 103

2

P P= ⋅ηa max =

= ⋅16

27Pmax

P

A

ve

1e a= ⋅ ⋅ ⋅η η ρ 0

3

2

ρ = 1025 kg/m3

P

Ave

1e304≈ ⋅ ⋅η 0

3

P g AH

tmax = ⋅ ⋅ ⋅ρ∆ 2

P

Ag

H

te

e= ⋅ ⋅ ⋅η ρ∆ 2

ρ = 1025 kg/m3

t = 44’700 sP

AHe

e0≈ ⋅ ⋅,225 2η ∆

Pg

t L Hmax = ⋅⋅

⋅ ⋅ ⋅ρ 22

32 π∆

P

L

gt He

e= ⋅⋅

⋅ ⋅ ⋅ρη

22

32 π∆

ρ = 1025 kg/m3

P

Lt He

e≈ ⋅ ⋅ ⋅981 2η ∆

8.6 Geotermalna energija

Zaradi gibanja magme se v zemeljski skorji tvorijo plasti vro~e vode in pare. Tameanica vode in pare vsebuje tudi razli~ne druge kemi~ne spojine in pline, ki sopogosto agresivni. Skozi umetne vrtine dobimo to vro~o vodo in vodno paro nazemeljsko povrje, kjer se nato njena notranja in tla~na energija koristno uporabita.Geotermalno energijo je mogo~e izkori~ati do globine pribli`no 5000 m, in sicertam, kjer je zemeljska notranjost nadpovpre~no mo~no ogreta in kjer se isto~asnonahajajo med plastmi vklenjena ve~ja leì~a vode in vodne pare. Te predpostavkeso izpolnjene samo na nekaterih podro~jih. Taka mesta so predvsem tam, kjerimamo opravka z geoloko mlajimi zemeljskimi plastmi, ki so bile ali so evulkansko aktivne in kjer prihaja pogosto do potresov.


Doslej je ve~ina obstoje~ih vrtin globokih od 1000 m do 2000 m, voda iz teh vrtinima okrog 200 °C in najve~ 350 °C, tlak je navadno pod 15 bar. Temperaturanara~a z globino od 10 K/km do 70 K/km, v povpre~ju 30 K/km. Za proizvodnjoelektri~ne energije je potrebna temperatura pare 150 °C ali ve~, ni`je temperatureso primerne le za ogrevanje. Ra~unati je treba, da se koli~ina vode in vodne pare izene vrtine s ~asom manja, in sicer povpre~no za 10 % na leto. To seveda nepomeni, da so leì~a iz~rpana; koli~ine vode in vodne pare je namre~ mogo~eohraniti s tem, da se napravijo v bliìni nove vrtine in mehani~no o~istijo stare.

Imenska mo~ postrojenj, ki izkori~ajo geotermalno energijo, je presegla 8'000MW elektri~ne mo~i in ve~ desettiso~ megawattov toplotne mo~i. Postrojenja so v20 dràvah, najve~ v Mehiki, na Filipinih, Islandiji, v ZDA, Japonski in na NoviZelandiji. V Sloveniji nimamo mo~nih in vro~ih vrelcev, geotermalno energijo pauspeno uporabljamo za ogrevanje termalnih kopali~.

Primer sodobnega geotermalnega postrojenja za pridobivanje elektri~ne energijeprikazuje slika 8.15. Meanica vro~e vode in pare iz notranjosti zemlje te~e najprejv prenosnik toplote, kjer se kondenzira in se kot voda pri temperaturi okolice vra~av zemljske globine. Prenosnik toplote ni nujen, je pa pogost. Meanica vode in paredeluje namre~ erozivno, saj vsebuje tudi trdne delce, in korozivno, primeane sonamre~ razli~ne agresivne snovi. Turbinski delovni proces ima pogosto za delovnosnov namesto vode organsko delovno snov, ki ima pri teh temperaturah manjospecifi~no prostornino kot vodna para, na primer: amoniak, izobutan, freon itn.

238 GEOTERMALNA ENERGIJA

Slika 8.15. Shema geotermalnega postrojenja za proizvodnjo elektri~ne ener-gije z zaprtim hladilnim sistemom

9PRENOS, SHRANJEVANJE IN

ODJEM ENERGIJE

Poglavje obravnava prenos elektri~ne energije (ali mehanskega dela) in toplote,prikazuje na~ine shranjevanja te energije, zna~ilnosti odjema in najpomembnejevrste izgub, ki nastanejo pri tem.

9.1 Zna~ilnosti

Kot je è omenjeno v uvodnem poglavju, je zna~ilnost elektri~ne energije intoplote njuna kratkotrajnost. Ti dve vrsti energije se pojavljata le takrat, ko naprimer primarna energija menja svojo obliko in prehaja v sekundarno. Prenos,shranjevanje in odjem primarne energije, za katero je zna~ilna njena obstojnost, naprimer: kemi~no vezana, potencialna, kineti~na ali notranja energija, ne boobravnavana.

Doslej je bil govor o pretvarjanju energije iz ene oblike v drugo, predvsem opretvarjanju primarne energije v sekundarno z namenom, da dobi porabnik energijov obliki, ki jo potrebuje. Pretvarjanje primarne energije v sekundarno te~e stalno inneprekinjeno, koncentrirano je v velikih postrojenjih in samo na dolo~enih mestih.Nasprotno od tega pa je povpraevanje po sekundarni energiji zelo raznoliko,krajevno raztreseno in mo~no odvisno od dnevnega, tedenskega in letnega ~asa.Zato je vloga prenosa, shranjevanja in odjema energije pomemben ~len v verigipretvarjanja primarne energije preko sekundarne v kon~no in naprej v koristno

energijo. Eden od klju~nih problemov pri izkori~anju son~ne energije je na primerprav njeno shranjevanje.

9.2 Prenos energije

Transport nosilcev primarne energije (fosilnih in jedrskih) je tehni~no dognan.Poleg è znanih na~inov (ladje, èleznice, tovornjaki itd.) so se v novejem ~asuuveljavili cevovodi za teko~a in plinasta goriva, deloma tudi cevovodi za suspen-zije (na primer: metanol-premogov prah). Dobro je reen tudi prenos sekundarneenergije, posebno dobro prenos elektri~ne energije.

9.2.1 Prenos elektri~ne energije

Elektri~na energija, ki se proizvaja v elektrarnah, se prenaa s prosto stoje~imielektri~nimi daljnovodi (prenosno omre`je za ve~je razdalje) in s podzemnimi kabli(razdelilna omre`ja v naseljih in industrijskih obmo~jih, redko v prenosnemomre`ju), ki pa so dra`ji. Da so izgube ~im manje, so pri prenosu potrebne visokenapetosti. Elektri~ne napetosti v prenosnem omre`ju so: (65, 110, 220, 380) kV, vnovejem ~asu in za velike razdalje tudi 750 kV in 1100 kV; v razdelilnem omre`juso elektri~ne napetosti bistveno ni`je. Skupne izgube elektri~ne energije vprenosnem in razdelilnem omre`ju so od 4 % do 12 %. V Sloveniji so te izgube vprenosnem omre`ju 2,4 %, v razdelilnem pa 3,0 %.

Pri prenosu elektri~ne energije imamo:

– izgube, odvisne od obremenitve:

Pizg,R = 3 · R · I2 (9.01)

– izgube, neodvisne od obremenitve:

Pizg,U = 3 · G · U2 (9.02)

I / A elektri~ni tok

R / Ω elektri~ni upor faznega vodnika

U / V imenska napetost

G / Ω–1 elektri~ni prevod (konduktanca) faznega vodnika

Izgube Pizg,R zaradi upora daljnovoda so odvisne predvsem od obremenitve,koronarne izgube Pizg,U pa od vremena in pridejo v potev ele pri napetostih380 kV in ve~. V povpre~ju so 2–3 kW/km daljnovoda.

ê upotevamo za elektri~no mo~ ena~bo:

P = 3 · I · U · cos ϕ (9.03)

240 PRENOS ENERGIJE

potem velja za izgube, ki so odvisne od obremenitve daljnovoda:

PR P

Uizg R,

cos=

⋅⋅ ⋅

2

2 23 ϕ(9.04)

Da ostajajo izgube Pizg,R v mejah, je treba za prenos ve~jih elektri~nih mo~i P (zadani daljnovod z uporom R) pove~evati elektri~no napetost U in paziti, da jekompenzacijski faktor cos ϕ ~im viji.

Evropske deèle so zdruène v UCPTE (Union pour la coordination de laproduction et du transport de l'électricité) in so med seboj z elektri~nim omre`jemtesno povezane. Slovenija je ~lanica tega zdruènja. Vsaka ~lanica mora izpol-njevati naslednje pogoje.

• V vsakem trenutku mora pokrivati svoje potrebe po elektri~ni energiji zlastnimi elektrarnami, z elektrarnami v zakupu ali s sklenjenimi pogodbami onabavi elektri~ne energije.

• Pokrivati mora svoje potrebe po elektri~ni energiji tudi v primeru motenj. Imetimora torej ustrezno toplo (rotirajo~o) rezervo, ki je v slovenskem primeru 5 %najve~je na~rtovane mese~ne elektri~ne mo~i.

• Imeti mora v svojih proizvodnih postrojenjih vgrajeno primarno regulacijoelektri~nih veli~in in razpolagati z najmanj 2,5 % obratovalne mo~i, ki seaktivira v 1 sekundi.

• Imeti mora v svojih proizvodnih postrojenjih vgrajeno sekundarno regulacijo,to je regulacijo med elektri~no frekvenco in mo~jo.

• Imeti mora v hladni rezervi proizvodna postrojenja, ki so po elektri~ni mo~ienaka najve~jemu postrojenju v sistemu.

9.2.2 Prenos toplote

Kot delovno sredstvo za prenos toplote se uporablja danes ve~inoma:

• topla voda (T < 110 °C)

• vro~a voda (T > 110 °C in p > 1,5 bar)

• vodna para

Voda ali para te~e po cevovodih, ki so podzemski ali nadzemski in toplotno dobroizolirani. Toplota se proizvaja v toplarnah in kotlarnah. Glede na dolìno cevovodain tevilo ~rpalk je hitrost tople vode 1–3 m/s in tlak do 40 bar. Toplotne izgube sood 0,1 K/km do 0,5 K/km cevovoda. Najpogosteje temperature ogrevalne vode so120–130 °C in temperature povratne vode 60–70 °C, vrednosti se od dràve dodràve nekoliko razlikujejo. Gospodarsko gledano je prenos toplote po cevovodihupravi~en za ve~je koli~ine (ogrevanje mest, velika raba v industriji), za razdalje do40 km in za dovolj veliko gostoto odjema toplote 30–40 MW/km2. V primerjavi sprenosom elektri~ne energije ali prenosom nosilcev primarne energije (premog,

9 PRENOS, SHRANJEVANJE IN ODJEM ENERGIJE 241

surova nafta, zemeljski plin, uran) je prenos toplote drag in ni vedno gospodarskoupravi~en. Pripomore pa k varovanju okolja in je zato v mnogih dràvahobravnavan prednostno. V novejem ~asu se uveljavlja ne samo prenos toplote,ampak tudi prenos hladu v obliki ledene brozge.

V ve~jem merilu je dobro reen prenos toplote v Ljubljani, ki tudi edina v Slovenijiizkazuje dovolj veliko gostoto odjema toplote. V Mostah obratuje toplarna, ki imatri ve~ja parna postrojenja za so~asno proizvodnjo elektri~ne energije in toplote, v[iki pa kotlarna, ki v ve~ toplovodnih kotlih proizvaja vrno toploto, ki jepotrebna predvsem v zimskem ~asu. Pod zemljo je poloènih okrog 150 kmcevovodov, ki omogo~ajo daljinsko ogrevanje ve~jega dela mesta. Daljinskoogrevanje v manjem obsegu imajo tudi nekatera druga slovenska mesta.

Izgube energije pri prenosu toplote s fluidom v cevovodu so odvisne predvsem odhitrosti fluida:

P m vizg,v F F= ⋅ ⋅λ2

2& (9.05)

Gospodarnost postavitve cevovoda je odvisna od stalnih in obratovalnih strokov.Stalni stroki Cf so vsi tisti v zvezi z gradnjo. Te stroke je treba odpla~evati, neglede na to, ali je pretok skozi cevovod velik (pozimi), majhen (poleti), ali ga splohni. Obratovalni stroki pa so tisti za energijo CvW (v glavnem za elektri~no energijoza pogon ~rpalk) in stroki za ~rpalne postaje CvP (obratovalni stroki zato, da jemogo~e upotevati tudi kasneje postavitve ~rpalnih postaj).

Specifi~ni stalni stroki:

c aC

m t Lf Cf

F

= ⋅⋅ ⋅&

(9.06)

Cf / EUR stroki gradnje cevovoda

aC / – anuitetni faktor za cevovod

&mF / kg/h masni tok fluida

t / h tevilo ur obratovanja na leto

L / m dolìna cevovoda.

Grafi~ni prikaz te ena~be je hiperbola: ~im ve~ji je tok &mF , manji so specifi~nistalni stroki cf.

Specifi~ni obratovalni stroki za elektri~no energijo:

cc W

m t LWW

vF

=⋅⋅ ⋅&

(9.07)

cW / EUR/kW h specifi~ni stroki za elektri~no energijo

W / kW h poraba elektri~ne energije na leto

242 PRENOS ENERGIJE

Specifi~ni obratovalni stroki za ~rpalne postaje:

c ac P

m t LvP PP P

F

= ⋅⋅⋅ ⋅&

(9.08)

cP / EUR/kW specifi~ni stroki postavitve ~rpalnih postaj

PP / kW mo~ ~rpalk

aP / – anuitetni faktor za ~rpalne postaje.

Za nadaljnji ra~un je potrebna e ena~ba za mo~ ~rpalke:

P m HPe

F P= ⋅ ⋅1

η& ∆ (9.09)

pri ~emer je ∆HP dobavna viina ~rpalke, ki je sestavljena iz uporov v cevovodu, izviinske razlike in predtlaka:

∆ ∆ ∆HL

D

vg H pF

P F F= ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ +λ ρ ρ2

2(9.10)

Kontinuitetna ena~ba za okrogli cevovod:

vD

mF

F

F

=⋅

⋅4

2π&

ρ(9.11)

Za celotne specifi~ne stroke prenosa toplote s fluidom v cevovodih velja:

c = cf + (cvW + cvP) =

=⋅⋅ ⋅

+⋅⋅ ⋅

+⋅ ⋅

⋅ ⋅a C

m t L

c W

m t L

a c P

m t LWC f

F F

P P P

F& & &

(9.12)

Ena~ba je reljiva, ~e so vse vrednosti razen zmno`ka ( &m tF ⋅ ), ki pomeni letnipretok fluida skozi cevovod, dolo~ljive in konstantne. Pri tem so stroki za cevovodpremera D najmanji, ~e je izpolnjen pogoj:

∂∂

c

m t( & )F ⋅= 0 (9.13)

∂∂

2

20

c

m t( & )F ⋅> (9.14)

Za vsak premer cevovoda dobimo svoj minimum; vsi minimumi leìjo na krivulji,ki poteka pribli`no po hiperboli, slika 9.1. Pri cevovodih so najve~ji stroki zapostavitev. Obratovalni stroki postanejo lahko veliki v primeru, da se pretok fluidaskozi cevovod mo~no pove~a. Zato je pogosto gospodarneje postaviti vzporedno kobstoje~emu cevovodu e en cevovod, kot pa pove~evati tevilo ~rpalnih postajzaradi tla~nih izgub, ki jih povzro~ajo velike hitrosti. Nekatere orientacijskevrednosti:


c cWv f≈ − ⋅( , , )0 4 0 5

c

c Wv

≈ 3

9.3 Shranjevanje energije

Shranjevanje nosilcev primarne energije (fosilnih in jedrskih) je tehni~no dognano.Poleg è znanih na~inov skladi~enja (deponije premoga, razli~ni rezervoarji zateko~a in plinasta goriva itd.) se v novejem ~asu vedno pogosteje uporabljajozatesnjeni podzemni prostori, na primer opu~ene rudnike jame. Svetovni trg steko~imi in plinastimi gorivi je namre~ nepredvidljiv, zato so za nemotenopreskrbo z energijo v Evropski zvezi predpisani veliki hranilniki, ki zadostujejo zave~mese~no rezervo teko~ih in plinastih goriv.

Shranjevanje sekundarne energije (elektri~ne energije in toplote) e ni zadovoljivoreeno. [iroka raba novih energijskih virov, na primer son~ne energije, je odvisnaprav od uspenega razvoja novih mo`nosti shranjevanja energije. V laborato-rijskem merilu je na razpolago veliko zanimivih reitev, ki pa se doslej zaradivisoke cene niso mogle uveljaviti. Pri tem je zmogljivost hranilnika vednodefinirana kot zmnoèk (elektri~nega ali toplotnega) toka in ~asa praznjenja.

244 SHRANJEVANJE ENERGIJE

Slika 9.1. Specifi~ni stroki prenosa toplote za razli~ne premere cevovodov inrazli~ne pretoke

9.3.1 Shranjevanje elektri~ne energije

Shranjevanje elektri~ne energije je mogo~e le v posebnih primerih, navadno jetreba to energijo najprej pretvoriti v neko drugo obliko.

V vztrajniku se elektri~na energija hrani v obliki kineti~ne energije mase. V [viciso pred leti vozili mestni avtobusi ("girobusi"), ki so jih gnali vztrajniki premera1,5 m z maso pribli`no 1000 kg. Kineti~na energija vztrajnika je zadostovala zaobratovanje elektromotorja vozila za 6,6 km dolgo ravno progo pri hitrosti do 60km/h. Teorija se danes ukvarja predvsem z iskanjem primernejih materialov zavztrajnike.

V ~rpalno-akumulacijski vodni elektrarni se elektri~na energija hrani v oblikipotencialne energije vode. Taki hranilniki energije se uporabljajo uspeno in vvelikem merilu è dolgo ~asa; o tem je pisano v poglavju o vodnih elektrarnah.

V ~rpalno-akumulacijski plinski elektrarni se elektri~na energija hrani v oblikitla~ne energije zraka. Na~elno je za tako reitev potreben velik hranilnik stisnje-nega zraka; za ta namen so primerne opu~ene rudnike jame. Mogo~i sta dvereitvi: tlak zraka se v takem podzemnem hranilniku ne spreminja, za kar skrbi


Slika 9.2. Shema ~rpalno-akumulacijske plinske elektrarne, Huntorf, Nem~ija:A – podzemni hranilnik stisnjenega zraka (300'000 m3), B – visokotla~nigorilnik, C – visokotla~na plinska turbina, ^ – nizkotla~ni gorilnik, D – nizko-tla~na plinska turbina, E – motorgenerator (polnjenje: 8 h, 2,5 bar/h, 60 MW,praznjenje: 2 h, 10 bar/h, 290 MW), F – nizkotla~ni kompresor, G – vmesnihladilnik zraka, H – visokotla~ni kompresor, I – kon~ni hladilnik, J – reduktor(7’622/3’000 min–1), K – sklopka

nadzemni rezervoar vode, in tlak zraka se s praznjenjem hranilnika postopomazmanjuje.

Shemo prve ~rpalno-akumulacijske plinske elektrarne na svetu prikazuje slika 9.2.Obratovanje kompresorja zraka je ~asovno lo~eno od obratovanja plinske turbine.V konici rabe elektri~ne energije zalaga hranilnik plinsko turbino s stisnjenimzrakom, ki se v gorilniku pred vstopom v turbino ogreje; s tem se mo~ turbine ve~apremo sorazmerno z vstopno temperaturo zraka. V ~asu majhne rabe elektri~neenergije pa se vklju~i elektromotor, ki ène kompresor in tla~i zrak iz okolice vpodzemni hranilnik.

Zato da bi bila koli~ina zraka v hranilniku ~im ve~ja, se zrak pred tem z ohlaje-vanjem zgosti. Zaradi dodatnih izgub ima tak postroj slabi izkoristek kot navadniplinski postroj, ima pa toliko drugih prednosti, npr. elasti~nost obratovanja, velikakoni~na elektri~na mo~, kratek zagonski ~as itd., da se bo tak na~in shranjevanjaenergije glede na dane zemljepisne mo`nosti gotovo raziril.

V hranilniku pare se elektri~na energija hrani v obliki notranje in tla~ne energije(entalpije) pare. Veliki jekleni hranilniki pare morajo biti postavljeni v bliìnitermoelektrarne. Pri majhnem povpraevanju po elektri~ni energiji se ti hranilnikipolnijo s sveò paro iz parnega kotla ali jedrskega reaktorja, pri velikempovpraevanju pa ta para poganja posebno parno turbino, tako da se skupna mo~elektrarne zaradi te dodatne turbine za kraji ~as pove~a.

Elektrokemi~ni hranilniki hranijo elektri~no energijo v kemi~no vezani obliki. Greza litij-`veplene celice, ki obratujejo pri 400 °C, elektrolit pa je meanica litijeve indrugih soli. Namesto litija imamo tudi zlitine Li-Al, namesto `vepla pa FeS aliFeS2. V razvoj takih hranilnikov vlagajo mnogo denarja, posebno v zvezi zizkori~anjem son~ne energije. Te celice naj bi imele ve~jo zmogljivost in daljotrajnostno dobo kot pa sedanji svin~evi ali nikelj-kadmijevi akumulatorji elektri~neenergije.

Hranilniki elektri~ne energije s superprevodnimi magneti. V magnetnem polju jemogo~e hraniti energijo kot magnetno energijo polja; ta energija je sorazmernaprostornini tega polja in kvadratu lokalne indukcije. V podzemnih skalnatihprostorih (dobrodola opora tehni~nim napravam zaradi velikih magnetnih sil!) najbi zgradili velike obro~aste magnete s premerom ve~ sto metrov, okrog katerih najbi tekel istosmerni elektri~ni tok zaradi superprevodnosti brez izgub. Raziskave natem podro~ju so se razmahnile, od kar je bilo ugotovljeno, da je superprevodnostmogo~a ne samo pri temperaturah blizu absolutne ni~le, ampak tudi pri precejvijih temperaturah od 100 K do 150 K. Dolo~ene izgube energije ostanejo zaradinujnega vzdrèvanja temperatur pod temperaturo okolice. Magnetni obro~ naj bibil povezan z zunanjo izmeni~no elektri~no razdelilno mreò.

246 SHRANJEVANJE ENERGIJE

9.3.2 Shranjevanje toplote

Pri senzibilnem shranjevanju toplote ostane pri dovajanju ali odvajanju energijeagregatno stanje snovi nespremenjeno, spreminja pa se temperatura. Ta na~inshranjevanja toplote se uporablja è dolgo ~asa in v zelo razli~nih izvedbah.Njegove prednosti so zanesljivost, gospodarnost in enostaven prenos toplote.Najve~krat je delovna snov voda pri tlaku 1 bar. Razlikujemo hranilnike toplote zakratko dobo (~as polnjenja ali praznjenja: od nekaj minut do enega dne) inhranilnike toplote za dolgo dobo (od nekaj dni do est mesecev). Za ~asovno daljeshranjevanje so hranilniki toplote iz plo~evine in pokon~ni (da je sti~na povrinamed toplo in hladno vodo ~im manja) ali pa betonski, pogreznjeni v zemeljska tlain zaradi bolje izolacije pokriti. Temperaturna razlika med toplo in hladno vodo jenavadno ≈40 K. Shranjevanje toplote se je uspeno uveljavilo v nekaterih indu-strijskih tehnolokih procesih (jeklarne in livarne, keramika, tekstil itd.). Pridnevnem spreminjanju cene elektri~ne energije ima smisel tudi pri so~asniproizvodnji elektri~ne energije in toplote. Tak hranilnik toplote ima tudi ljubljanskatoplarna.

Pri latentnem shranjevanju toplote se pri dovajanju ali odvajanju energije spremeniagregatno stanje, pri tem ostane temperatura ~iste snovi nespremenjena, tem-peratura zmesi pa se seveda spremeni. V glavnem gre za izkori~anje talilne alistrjevalne toplote pri spremembi faznega stanja trdo-teko~e, medtem koizkori~anje uparjalne ali kondenzacijske toplote pri spremembi faznega stanjateko~e-plinasto zaradi velike plinske prostornine prakti~no ne pride v potev.Skoraj za vsako temperaturo shranjevanja toplote je mogo~e najti primernodelovno snov oziroma zmes, na primer: natrijev acetat (tali~e: 58 °C) in barijevhidroksid (78 °C), za visoke temperature litijev fluorid (848 °C) itd.

Shranjevanje toplote z reverzibilnimi kemi~nimi reakcijami je ele v povojih.êprav izkazuje ta na~in shranjevanja energije po teoriji mnogo odli~nih lastnosti(visoka gostota energije, mo`nost ~asovno dolgega shranjevanja z majhnimiizgubami), ve~ina izvedb e ni zrela za prakti~no rabo. Shranjevanje toplote zreverzibilnimi kemi~nimi reakcijami je pomembno predvsem v zvezi z izko-ri~anjem son~ne energije.

9.4 Odjem energije

Odjem elektri~ne energije in toplote se v teku dneva, tedna in leta spreminja,potreba po energiji je ve~ja podnevi kot pono~i, ve~ja ob delavnikih kot obnedeljah in ve~ja pozimi kot poleti. Proizvodna postrojenja se morajo temurazli~nemu povpraevanju po energiji prilagajati, kajti ustreznih hranilnikovelektri~ne energije ali toplote, ki bi hitro in u~inkovito izravnavali nesorazmerjemed proizvodnjo in porabo, danes e ni.


Proizvodnja elektri~ne energije ali toplote na dolo~eni lokaciji in ta energija priporabnikih se med seboj razlikujeta za izgube v prenosnem in razdelilnem omre`ju.Gre za razliko med sekundarno in kon~no energijo.

9.4.1 Odjem elektri~ne energije

Odjem elektri~ne energije se glede na porabo spreminja od ure do ure. Proizvodnjamora temu slediti in pri tem zadràti frekvenco elektri~nega toka v ozkihtoleran~nih mejah. Zato skrbi frekven~na regulacija.

• Primarna regulacija ima nalogo vzpostaviti ravnote`je med proizvodnjo inporabo elektri~ne energije s turbinskim regulatorjem vrtljajev.

• Sekundarna regulacija ima nalogo, da vzpostavi nastavljeno vrednost frekvence(50 Hz) in vzpostavi povezavo s sosednjimi elektri~nimi omre`ji ter s temsprosti primarno regulacijo.

• Terciarna regulacija skrbi v primeru ve~jih motenj v elektroenergetskemsistemu za pravo~asno ponovno vzpostavitev potrebne rezerve za sekundarnoregulacijo.

Zna~ilen diagram dnevne potrebe po elektri~ni mo~i v odvisnosti od dnevnega ~asapoleti in pozimi prikazujeta sliki 9.3 in 9.4. Dnevno spreminjanje potreb poelektri~ni energiji izravnavajo predvsem akumulacijske vodne elektrarne, plinskein enostavneje parne elektrarne in le izjemoma ve~je termoelektrarne, kot je to vSloveniji TE [otanj.

Prav tako je mogo~e razbrati, da je Slovenija tesno povezana z evropskim elek-tri~nim omre`jem, saj vsak dan prejema in oddaja precejnje koli~ine elektri~neenergije.

Diagrami dnevne proizvodnje in porabe se v na~elu od dràve do dràve nerazlikujejo veliko: vedno imamo bolj ali manj izrazit dopoldanski in ve~erni maksi-mum porabe ter globok minimum v no~nem ~asu. Te vrste diagrami prikazujejosamo trenutno proizvodnjo in porabo in so manj primerni za kakrnokolina~rtovanje. Navadno se spremlja proizvodnja in poraba elektri~ne energije ~ez vseleto. Ti podatki se nato vnesejo v urejeni obliki v diagram, kot ga prikazujeta zapridobivanje elektri~ne energije sliki 2.1 ali 2.5.

Imenska mo~ vseh hidro- in termoelektrarn v dràvi mora zadostiti najve~ji potrebipo elektri~ni energiji, ki se pojavi med letom. Ker je treba vedno ra~unati nazaustavitve elektrarn zaradi obveznih pregledov, rednega vzdrèvanja, nizkegavodostaja rek in raznih nepredvidenih okvar, mora biti skupna imenska mo~ vsehelektrarn precej ve~ja, kot je najve~ja ugotovljena poraba elektri~ne energije.

Konice porabe elektri~ne energije je mogo~e zmanjati, za kar imamo naslednjemo`nosti:

248 ODJEM ENERGIJE

• odklop elektri~ne energije najve~jim porabnikom po vnaprejnjem opozorilu,zlasti neposrednim odjemalcem na elektri~nem omre`ju 110 kV; s takimisurovimi ukrepi v sili se je mogo~e konicam skoraj popolnoma izogniti;

• ublaìtev konic s primernimi gospodarskimi ukrepi, kot so: visoka cena elek-tri~ne energije, no~ne izmene v tovarnah itd.;

• uvoz elektri~ne energije, s tem da se ta energija vrne, br` ko je mogo~e.

V Sloveniji so najve~ji porabniki elektri~ne energije: Talum, proizvodnja aluminijaKidri~evo, Tovarna duika Rue in èlezarne Jesenice, Ravne in [tore. Ti nepo-


Slika 9.3. Dnevni diagram proizvodnje elektri~ne mo~i v Sloveniji, poleti(td – ura dneva)

sredni odjemalci elektri~ne energije porabijo pribli`no 40 % elektri~ne energije, kijo proizvede jedrska elektrarna v Krkem na leto.

9.4.2 Odjem toplote

Diagram dnevne proizvodnje toplote iz toplarne ali kotlarne ima podobnezna~ilnosti kot è obravnavani diagram za dnevno proizvodnjo elektri~ne energije:podnevi dva maksimuma, pono~i minimum. Tudi tu velja, da je treba spremljatiproizvodnjo in porabo toplote ~ez vse leto in te podatke v urejeni obliki vnesti vdiagram, kot ga prikazuje slika 2.2.

250 ODJEM ENERGIJE

Slika 9.4. Dnevni diagram proizvodnje elektri~ne mo~i v Sloveniji, pozimi(td – ura dneva)

Povpraevanje po toploti za ogrevanje se z nara~ajo~o temperaturo okolicezmanjuje, dokler poleti ne doseè minimuma. Poleti toplota za ogrevanje bivalnihprostorov ni potrebna, ostane samo toplota za ogrevanje vode za umivanje in pranje(sanitarna voda) ter toplota za industrijske tehnoloke procese. Razlika med zimsko


Slika 9.6. Primer temperatur v toplovodnem omre`ju: A – ogrevalna voda, B –povratna voda

Slika 9.5. Urejeni letni diagram srednje dnevne temperature okolice za osred-njo Slovenijo

in letno rabo je pri toploti e ve~ja kot pri elektri~ni energiji. Razmejitev medtoploto iz vrne kotlarne in toploto iz toplarne ni to~no dolo~ena, meja je rezultatoptimizacijskega ra~una in je pribli`no (0,5–0,6) · &

maxQ .

Za na~rtovanje daljinskega ogrevalnega sistema so va`ni klimatski podatki opovpre~nih temperaturah okolice za obravnavano podro~je, slika 9.5. S takimdiagramom in z ustreznimi podatki o potrebah porabnikov po toploti je mogo~eoceniti potrebe med letom.

Kon~no je na sliki 9.6 prikazan primer za temperaturne razmere v toplovodnemomre`ju. Najvija in povpre~na temperatura ogrevne vode je odvisna od dolìne inrazvejenosti toplovodnega omre`ja, od izolacije cevovodov, od povrine prenos-nikov toplote v priklju~enih podpostajah posameznih porabnikov itd. Stremeti jetreba, da so te temperature ~im ni`je, temperaturne razlike med ogrevalno inpovratno vodo pa ~im ve~je.

252 ODJEM ENERGIJE

10PRIHODNJA PRESKRBA Z

ENERGIJO

Poglavje obravnava na~rtovanje preskrbe z energijo, nekatere mo`nosti pretvarja-nja primarne energije v sekundarno, ki vodijo k smotrneji rabi energije, omenjateàve v zvezi s preskrbo energije v prihodnosti ter nakazuje mo`nosti izkori~anjanovih nosilcev primarne energije.

10.1 Zna~ilnosti

Zaloge primarnih energijskih virov na zemlji so omejene. Pri sedanji rabi kon~neenergije in pri sedanjih tehnologijah pretvarjanja primarne energije v sekundarno innaprej v koristno energijo bo ~lovetvo porabilo ve~ji del nosilcev primarneenergije, ki jih je danes mogo~e gospodarno izkori~ati, zelo kmalu. V nekajgeneracijah bo za~elo primanjkovati zemeljskega plina, kmalu za tem tudi surovenafte in urana 235U. Ra~unati je mogo~e le na premog in na uran 238U. Pri tem pa jetreba vedeti, da je sedanji na~in zgorevanja premoga povezan s tvorjenjem velikihkoli~in CO2 v dimnih plinih, dananji oplodni reaktorji, v katerih se uporablja kotgorivo uran 238U, pa e niso zreli za industrijsko uporabo. Raziskave gredo v dvehsmereh:

• sedanje energijske vire uporabljati bolj smotrno

• ~im prej za~eti izkori~anje novih.

Slika 10.1 prikazuje projekcijo nara~anja prebivalstva in porabo primarnih ener-gijskih virov v naslednjih desetletjih. Na sliki so ozna~ene to~ke nara~anjaprebivalstva do leta 2100 in porabe primarih energijskih virov do leta 2050, ki sorezultat raziskav ve~ kot 500 strokovnjakov v okviru World Energy Council.Ekstrapolacija krivulj do leta 2150 je ocenjena in rabi za orientacijo. Upotevapredvsem napovedi strokovnjakov glede rabe obnovljivih energijskih virov inglede jedrske fizije ter mnenje strokovnjakov, da bodo do sredine tega stoletjareeni glavni problemi jedrske fuzije.

Ne glede na vrsto primarnih energijskih virov bodo parni in plinski kro`ni procesiobdràli svojo pomembnost, kajti prete`ni del pretvorb primarne energije vsekundarno se bo tudi v naslednjih desetletjih odvijal preko vmesne pretvorbe vtoploto. Povievala se bo temperatura sveè pare v parnih postrojenjih intemperatura plinov v plinskih postrojih. S tem se bo pove~al izkoristek kro`negaprocesa in posledi~no izkoristek termoelektrarn.

Pri visokih temperaturah bodo na trgu postroji, ki danes e niso pogosti, na primer:magnetnohidrodinami~ni generatorji. Iz teh postrojev bo delno ohlajena delovnasnov oddajala svojo energijo naprej v poznane kro`ne procese. Seveda pa je vprihodnje treba ra~unati tudi s tehni~nimi postopki, kjer se bo primarna energijapretvarjala naravnost v sekundarno, na primer: son~ne celice, gorivne celice itd.Strokovnjaki pripisujejo velike mo`nosti boljemu izkori~anju vseh vrst premogovin urana, pri tem pa resno opozarjajo na nevarnost u~inka tople grede.

254 ZNAÎLNOSTI

Slika 10.1. Projekcija nara~anja prebivalstva in porabe primarne energije

Dosedane raziskave potrjujejo naslednja dejstva:

• v naslednjih 30 letih bo porabljeno toliko energije iz fosilnih goriv, kot jo jebilo doslej v celotni ~loveki zgodovini;

• fosilni primarni energijski viri bodo tudi v prihodnosti nosili glavno bremepreskrbe z energijo;

• obnovljivi energijski viri (biomasa, veter, voda in sonce) bodo pridobivalipomembnost, vendar pa bo v absolutnem setevku njihov pomen tudi vprihodnje obroben;

• jedrska energija bo potrebna tudi v prihodnje;• energetika bo v prihodnje v veliki meri krojila okoljevarstvene ukrepe.

10.2 Na~rtovanje preskrbe

Za na~rtovanje preskrbe z energijo je najva`neji podatek ocena prihodnjih potrebpo energiji v neki deèli. Ta ocena temelji na statisti~nih podatkih iz preteklosti. Naosnovi teh podatkov je mogo~e postaviti regresijsko krivuljo in jo ekstrapolirati zaprihodnje potrebe. Za regresijsko krivuljo je treba vzeti matemati~no funkcijo, kiima neko kon~no vrednost tudi za neskon~no dolg ~as. Tej zahtevi odgovarja npr.logisti~na funkcija:

Φ =d

d

W

t(10.01)

d

d

W

tK W

W W

W= ⋅ ⋅

−

∞

∞

(10.02)

Prihodnja priprava energije na ~asovno enoto Φ je premo sorazmerna (soraz-mernostni faktor K) energiji W, ki jo trenutno porabljamo, in relativnem deluenergije, ki je e ostal na razpolago ( ) /W W W∞ ∞− . Pri tem je W∞ celotna energija,razlika ( )W W∞ − pa tista, ki je e na razpolago. Vzemimo, da se ta energija nahajav zemlji v obliki premoga. ê se za~no zaloge premoga zmanjevati, potem se bozelo verjetno za~el zmanjevati tudi izkop premoga, e preden bodo zalogepopolnoma iz~rpane. Funkcija Φ mora v za~etku nara~ati (t > 0), dose~i po nekem~asu najve~jo vrednost (t = tmax pri dΦ/dt = 0), nato pa padati (t → ∞).

Slika 10.2 prikazuje za celotno Zemljo mogo~ razvoj izkori~anja primarne energi-je glede na znane zaloge fosilnih goriv. Obravnavana funkcija je izvrednotena zazemeljski plin, surovo nafto in premog ter skupaj za vsa fosilna goriva.

Integral obravnavane logisti~ne funkcije nam da ena~bo:

W ab

K t

K t= ⋅

+

⋅

⋅1

1

e

e

∆

∆ (10.03)

10 PRIHODNJA PRESKRBA Z ENERGIJO 255

Robni pogoji za za~etno leto 1980:

t → 0 W = a1/(b1+1)

t → ∞ W = W∞ = a1

Vrednosti K, a1 in b1 so konstante, dobljene so na osnovi statisti~nih podatkov:

K = 3,4 ·10–2 / a–1

a1 = 1519,3 ·1015 / kJ

b1 = 4,0

Letne potrebe po energiji v preteklosti (od 1950 do 1980) in ekstrapolacija (od1980 do 2020) z logisti~no funkcijo je razvidna iz preglednice 10.1.

Za na~rtovanje potreb po energije se uporabljajo tudi druge regresijske funkcije, naprimer:

W a b t= ⋅ ⋅2

2e ∆ (10.04)

a2 = 81,244 · 1015 / kJ

b2 = 4,484 · 10–2 / a–1

W = a3 + b3 · ∆t (10.05)

256 NA^RTOVANJE PRESKRBE

Slika 10.2. Mogo~ razvoj izkori~anja fosilnih goriv glede na znane zalogeA – zemeljski plin W∞ = 8,80 · 1018 kJB – surova nafta W∞ = 14,66 · 1018 kJC – premog W∞ = 58,66 ·1018 kJ^ – fosilna goriva, skupaj W∞ = 82,12 ·1018 kJ

a3 = 67,459 · 1015 / kJ

b3 = 7,333 · 1015 / (kJ/a)

pri ~emer veljajo konstante za obe navedeni ena~bi za za~etno leto 1950.

Letne potrebe po energiji (ena~bi (10.04) in (10.05)) nara~ajo z nara~ajo~im~asom ~ez vse meje in zato ne odgovarjajo dejanskim razmeram, kljub temu seena~bi pogosto uporabljata za ekstrapolacije v krajih ~asovnih obdobjih.

Preglednica 10.1. Letne potrebe po energiji na svetu do leta 1980 in ekstra-polacija potreb od leta 1990 naprej

Leto W / (kJ/a)

1950196019701980

79 · 1015

129 · 1015

211 · 1015

304 · 1015

1990200020102020

395 · 1015

502 · 1015

622 · 1015

750 · 1015

Na sliki 10.3 so narisane in ekstrapolirane vse obravnavane funkcije. O~itno je, dase rezultati na daljo dobo med seboj precej razlikujejo.

V splonem so potrebe po energije odvisne od strukture gospodarstva, od na~inaìvljenja, podnebja, izkoristka pretvarjanja primarne energije v koristno in odstopnje razvoja prebivalstva v neki dràvi. Potrebe po energiji bodo v prihodnjeprav gotovo nara~ale hitreje v dràvah v razvoju kot pa v industrijsko razvitihdràvah.

Zna~ilno je, da se je po statisti~nih podatkih v industrijskih dràvah od leta 1910 doleta 1960 specifi~na proizvodnja elektri~ne energije podvojila vsakih 10 let, in tone glede na gospodarske krize in ne glede na obe svetovni vojni. Najenostavnejeje, ~e vzamemo za izra~un prirejeno ena~bo (10.04):

w wtb t

E E e= ⋅ ⋅∆ (10.06)

pri tem je wEt / (kW h/(a · cap.)) proizvodnja elektri~ne energije na leto in prebival-ca po t letih, wE / (kW h/(a · cap.)) proizvodnja elektri~ne energije na leto in prebi-valca v za~etnem letu in ∆t obravnavana doba. Za povpre~no letno pove~anjepotreb po elektri~ni energiji dobimo:

bw w

tt= = =

ln( / ) ln,E E

∆2

100 0693 (10.07)

Za nadaljnje ra~unanje privzamemo:

eb = (1 + p/100) (10.08)


pri tem je p / % povpre~ni letni prirastek proizvodnje elektri~ne energije. Od todrezultat:

p = 100 · (eb – 1) ≈ 7,2 % (10.09)

Povpre~ni letni prirastek proizvodnje elektri~ne energije v tem obdobju je torej7,2 %.

Najenostavneji model prihodnje preskrbe energije predpostavlja, da nara~a potre-ba po kon~ni energiji sorazmerno z dru`benim proizvodom DP in sorazmerno zelasti~nostjo tega proizvoda Γ(t). Elasti~nost dru`benega proizvoda je definiranakot razmerje med spremembo potreb po kon~ni energiji ∆Wk in spremembodru`benega proizvoda ∆(DP) na leto in prebivalca:

Γ ( )( )

tW

DP=

∆∆

k (10.10)

Vrednost Γ(t) bo nara~ala po~asneje, ~im bolj smotrna bo poraba kon~ne energijein ~im hitreje bo nara~al dru`beni proizvod glede na vloèno energijo.

ê upotevamo e nara~anje tevila prebivalstva C(t), potem je potreba po kon~nienergiji v odvisnosti od ~asa t definirana takole:

W t WDP t

DP

t C t

Ck k( ) ( )( )

( )

( )

( )

( )

( )= ⋅ ⋅ ⋅0

0 0 0

ΓΓ

(10.11)

258 NA^RTOVANJE PRESKRBE

Slika 10.3. Medsebojna primerjava logisti~nih krivulj za prihodnje potrebe poenergiji

A: W ab

K t

K t= ⋅

+

⋅

⋅1

1

e

e

∆

∆, B: W a b t= ⋅ ⋅

22e ∆ , C: W = a3 + b3 ·∆t

Dolga leta je dru`beni proizvod nara~al pribli`no premo sorazmerno s potrebamipo energiji; ta odvisnost se je spremenila ele v zadnji tretjini prejnjega stoletja, koje za~el dru`beni proizvod nara~ati hitreje kot pa potrebe po energiji.

Ukrepi za zmanjanje rabe energije zahtevajo stalno investicijska vlaganja. Prioceni prihodnje rabe energije je treba oceniti povpre~ni izkoristek pretvorbeprimarne energije v kon~no. Ta je odvisen od tehnoloke opremljenosti industrijein od strukture kon~ne rabe energije in se od dràve do dràve razlikuje.

10.3 Smotrna raba sedanjih energijskih virov

Kakne so na~elne mo`nosti pretvarjanja primarne energije, ki je akumulirana kotkemi~no vezana energija goriv, v sekundarno, prikazuje slika 10.4. S slike jerazvidno, da se urejena energija goriva v ve~ini dananjih energetskih procesovnajprej spremeni v neurejeno obliko (v toploto) in nato zopet v urejeno obliko(mehansko ali elektri~no delo). Zadnja pretvorba je zvezana s Carnotovim izko-ristkom, ki upoteva dejstvo, da vse toplote ni mogo~e spremeniti v delo.

Od primarne do sekundarne energije je pogosto potrebnih ve~ pretvorb, vsaka odnjih pa je povezana s stroki na eni strani in z energijskimi izgubami na drugi. Zatoje jasno, da skuajo znanstveniki dobiti elektri~no energijo naravnost iz primarneenergije ali pa vsaj neposredno iz toplote, brez vmesne pretvorbe v mehansko delo.


Slika 10.4. Najpomembneje mo`nosti pretvarjanja primarne energije v sekun-darno

Doslej se je to v ve~jem obsegu posre~ilo pri elektri~nih baterijah in pri son~nihcelicah.

Z novimi tehnologijami èlimo nosilce primarne energije izkoristiti bolje (z ve~jimizkoristkom) in ~isteje (z manjo obremenitvijo okolice).

Raziskave so usmerjene tako, da bi kodljive snovi v nosilcih primarne energije (naprimer: `veplo) lo~ili ~im prej, npr. è pred zgorevalnim procesom, in ne ele ponjem. Lo~itev okolju kodljivih snovi iz goriv je treba prestaviti od konca energet-skega procesa na za~etek.

Z uplinjanjem premoga skuamo dose~i gospodarneje izkori~anje premoga kotnosilca primarne energije. Premog se pri vijih tlakih od atmosferskega pretvarja vgorilni plin; ta se nato pri nizkih temperaturah o~isti vseh okolju kodljivih snovi.Kot tak lahko – podobno kot vodik – nadomesti nosilce primarne energije, ki jih bopo predvidevanjih strokovnjakov najprej zmanjkalo (npr. zemeljskega plina zakombinirani plinsko-parni kro`ni proces). Mogo~e ga je enostavno shranjevati intransportirati. Posebno pozornost posve~ajo strokovnjaki uplinjanju rjavih premo-gov v zvezi s plinsko-parnim procesom.

Slika 10.5 prikazuje izkoristke za nekatere pretvorbe primarne energije v sekun-darno.

260 SMOTRNA RABA SEDANJIH ENERGETSKIH VIROV

Slika 10.5. Primerjava dejanskih izkoristkov za nekatere pretvorbe primarneenergije v sekundarno: A – gorivne celice, B – motorji z notranjim zgorevanjemDiesel, C – motorji z notranjim zgorevanjem Otto, ^ – plinske turbine, D – parneturbine

10.4 Magnetohidrodinami~ni generatorji

Magnetohidrodinami~ni (MHD) generatorji delujejo po enakem indukcijskemna~elu kot elektri~ni generatorji in motorji. Pri navadnem generatorju se induciraelektri~ni tok s tem, da se rotor z navitjem iz bakra vrti v statorju in ustvarjamagnetno polje. Pri MHD-generatorju imamo namesto rotorja vro~ ioniziran plin(plazma), ki te~e skozi stator. Pri tem nastane elektri~ni tok, pravokotno na tokplazme in pravokotno na nastalo magnetno polje. S primerno postavljenimaelektrodama in sklenjenim zunanjim tokokrogom dobimo enosmerno elektri~nonapetost nekaj kilovoltov. Ioniziran plin je mogo~e dobiti z zgorevanjem fosilnihgoriv itd. Da bi dosegli dovolj mo~no ionizacijo, mora biti temperatura plina nad3000 °C ali pa mu moramo dodajati majhne koli~ine kalija ali cezija, ki pove~ujetaionizacijo è pri ni`jih temperaturah (pribli`no od 2200 °C do 2800 °C). Ioniziraniplin je komprimiran in v Lavalovi obi pospeen na visoko hitrost; plin zapu~aMHD-generator z visoko temperaturo, svojo toploto oddaja parnemu ali plinskemukro`nemu procesu, ki je navadno prigrajen MHD-generatorju, slika 10.6.


Slika 10.6. Shema MHD-generatorja in parnega kro`nega procesa: A – dovodgoriva, B – odvod dimnih plinov, C – gorilnik, ^ – MHD-generator, D – grelnikzraka, E – uparjalnik in pregrevalnik pare, F – parna turbina, G – kompresorzraka za zgorevanje, H – elektri~ni generator, I – kondenzator pare, J – napa-jalna ~rpalka

10.5 Vodik kot gorivo

Vodik nastopa v naravi samo v vezani obliki; da ga lahko dobimo v elementarniobliki, potrebujemo energijo. Zato ga ne moremo teti kot nosilca primarneenergije, pa~ pa lahko vodik nadomesti nosilce primarne energije, ki jih bo popredvidevanjih strokovnjakov najprej zmanjkalo (na primer vodik namesto bencinapri motorjih z notranjim zgorevanjem). Nadalje lahko vodik pripomore, da seskupni izkoristek nekega energetskega procesa izbolja na ra~un popolnejetehnologije pretvarjanja primarne energije v sekundarno.

Vodik je mogo~e pridobivati v velikih koli~inah z elektrolizo vode, pri ~emer sostrokovnjaki mnenja, da bosta elektriko, ki je potrebna za ta kemi~ni proces, proiz-vajali predvsem jedrska in son~na energija:

2 H2 + O2 → 2 H2O + 572 kJ/kmol (10.12)

To je kemi~na reakcija, pri kateri se od vseh poznanih kemi~nih reakcij sprostinajve~ energije, namre~ 33,4 kW h/kg vodika.

Vodik pa je mogo~e pridobivati tudi iz teko~ih goriv in iz zemeljskega plina.Kemi~ne reakcije potekajo v reaktorju, za katerega se je udoma~ilo ime reformer.V reformerju dobimo torej iz ogljikovodikov na eni strani vodik v elementarniobliki, na drugi strani pa preostale, manj pomembne produkte kemi~nih reakcij.

Pridobivanje vodika iz teko~ih goriv

Pri pridobivanju vodika iz teko~ih goriv razlikujemo v splonem tri kataliti~neprocese:

• delno oksidacijo• avtotermi~no lo~evanje in• lo~evanje s paro.

Pri prvih dveh postopkih je zgradba kemi~nega reaktorja – reformerja enaka,razli~ne so le kemi~ne reakcije. Pri lo~evanju vodika iz teko~ih goriv, kot sometanol in teko~i ogljikovodiki (z izjemo nekaterih aromatov) z delno oksidacijo,veljajo kemijske ena~be:

CH3OH + 1/2 O2 → 2 H2 + CO2 (10.13)

CnHm + n/2 H2 → m/2 H2 + n·CO (10.14)

Zgornjima ena~bama je zado~eno, ~e v kemi~ni reaktor dovajamo z zrakomkoli~ino kisika, ki je manja od stehiometri~ne, ker bi sicer prilo do popolneoksidacije. Za popolno oksidacijo pa veljajo ena~be:

CH3OH + 3/2 O2 → 2 H2O + CO2 (10.15)

CnHm + (n + m/4) H2 → m/2 H2O + n CO2 (10.16)

262 VODIK KOT GORIVO

Kemi~ne reakcije so eksotermne in potekajo ob prisotnosti katalizatorjev iz bakraali plemenitih kovin.

ê v enak kemi~ni reaktor poleg goriva in zraka dovajamo e vodo, dobimo avto-termi~no lo~evanje. Imamo dodatne kemi~ne reakcije, ki so opisane z ena~bama:

CH3OH + H2O → 3 H2 + CO2 (10.17)

CnHm + n H2O → m/2 H2 + n CO (10.18)

Kemi~ne reakcije so endotermne, reakcijsko toploto dobimo z delno ali popolnooksidacijo goriva. Kot katalizator so primerne zlitine bakra in cinka ali plemenitihkovin.

Iz teh ena~b je razvidno, da izstopajo iz reformerja razen vodika H2 e ogljikovdioksid CO2, ogljikov monoksid CO in duik N2, ki ga v reaktor dovajamo zzrakom. [kodljiva je predvsem navzo~nost ogljikovega monoksida, zato ga je trebapredhodno lo~iti od drugih plinov in dose~i kon~no oksidacijo s kataliti~nimzgorevanjem. Prav tako je treba s kataliti~nim zgorevanjem dose~i dokon~nooksidacijo neoksidiranih komponent plinov, ki zapu~ajo gorivne celice in ki polegvode vsebujejo e ogljikov monoksid, metanol in preostanek neoksidiranegavodika.


Slika 10.7. Primerjava procesov lo~evanja vodika iz metanola: avtotermi~nolo~evanje (levo) in lo~evanje s paro (desno)

Boljo u~inkovitost lo~evanja vodika iz teko~ih goriv obeta lo~evanje s paro, kjerpotekajo kemi~ne reakcije po ena~bah (10.17) in (10.18) v posebnem reaktorju, kotje prikazano na sliki 10.7, desno. Potrebno toploto za kemi~ne reakcije dobimo spopolno oksidacijo dela goriva samega ter preostalih neoksidiranih plinov izkemi~nega reaktorja v kataliti~nem gorilniku v reaktorju. Vodik lo~imo odogljikovih oksidov s semipermeabilno membrano iz zlitine paladija in srebra, kizadnje navedene ne prepu~a. Na izhodu iz membrane imamo samo vodik.

Pridobivanje vodika iz zemeljskega plina

Vodik lahko pridobivamo tudi iz metana, ki v prete`ni meri sestavlja zemeljskiplin. Z dovajanjem pare pride v navzo~nosti katalizatorja iz niklja ali plemenitihkovin in pri temperaturah okoli 700 °C do reakcije:

CH4 + H2O → CO + 3 H2 (10.19)

Podobno kot kemi~ne reakcije po ena~bah (10.17) in (10.18) je tudi ta reakcijamo~no endotermna. Formiranje plinov iz reformerja je odvisno e od stranskereakcije ogljikovega monoksida in pare, kemi~na reakcija pa je nekoliko ekso-termna:

CO + H2O → CO2 + H2 (10.20)

Toploto za kemi~no reakcijo po ena~bi (10.20) lahko dobimo z elektrokemi~noreakcijo v visokotemperaturnih gorivnih celicah. Lo~evanje vodika iz zemeljskegaplina poteka na posebej oblikovanih anodah gorivnih celic.

Vodik je mogo~e enostavno shranjevati in dobro transportirati, okolju kodljivihsnovi v izgorelih plinih ni, teàve povzro~a le prevelika hitrost zgorevanja. Upo-raba vodika kot goriva je mogo~a z nekaterimi spremembami è z dosedanjimitehnologijami. Najva`neje so:

– Zgorevanje s plamenom za pridobivanje toplote v industriji in v iroki porabi.Zgorevanje je pri visokih temperaturah, zato so spro~ene koli~ine NOX enake alive~je, izkoristki pa enaki kot pri navadnem zgorevanju.

– Motorji z notranjim zgorevanjem z vodikom kot gorivom delujejo podobno kotmotorji z notranjim zgorevanjem Otto, vendar imajo bolji izkoristek; koli~ineNOX so pri celotni obremenitvi enake ali ve~je kot pri sedanjih motorjih, pridelnih obremenitvah pa za 30 % do 60 % ni`je.

– Plinske turbine. Pri letalskih potisnikih z vodikom kot gorivom je mogo~era~unati s prihranki pri masi letala, medtem ko so koli~ine NOX enake ali ve~jekot pri dananjih plinskih turbinah.

V razvoju so tudi nove tehnologije za uporabo vodika kot goriva, najva`neje so:

– Kataliti~no zgorevanje za pridobivanje toplote. Zgorevanje je pri temperaturah< 500 °C, koli~ine NOX so zaradi nizkih zgorevalnih temperatur zanemarljive,izkoristek pa ve~ji kot pri drugih na~inih zgorevanja.

264 VODIK KOT GORIVO

– Vodikov parni kotel, kjer vodik in kisik, ki sta dovedena v stehiometri~nemrazmerju, zgorevata pri temperaturi > 3000 °C. V nastalo vro~o paro se vbrizgavoda, tako da se znià njena temperatura na 1000 °C do 500 °C. Dragi inob~utljivi cevni prenosniki toplote, ki jih imamo pri sedanjih parnih kotlih, nisopotrebni. Zaradi stehiometri~nega razmerja vodika in kisika se NOX ne moretvoriti.

– Gorivne celice so zaradi svoje pomembnosti obravnavane v naslednjem po-glavju.

10.6 Gorivne celice

Gorivne celice pretvarjajo kemi~no energijo goriva (vodika) neposredno v elek-tri~no energijo brez vmesne pretvorbe v toploto. Elektrokemi~ni proces v gorivnicelici je ravno nasproten kot pri elektrolizi vode. Vodik kot gorivo oksidira prinizkih temperaturah (brez zgorevanja) in spro~ena kemijska energija se z odli~nimizkoristkom, ki ni omejen s Carnotovim izkoristkom, pretvori direktno v elektri~noenergijo. Delovanje gorivne celice prikazuje slika 10.8.

Gorivne celice sestavljata elektrodi (anoda in katoda), med katerima je elektrolit zaprenos ionov. Ta mora prevajati to~no dolo~ene ione; elektroni in drugi neèleniioni, ki bi jih elektrolit prevajal, bi zavirali ali celo prepre~evali delovanje gorivnecelice. Na elektrodah je naneen katalizator, ki pospeuje elektrokemi~no reakcijo.Preko elektrod je gorivna celica sklenjena z zunanjim tokokrogom. Prenos elek-trine v zunanjem tokokrogu opravljajo prosti elektroni v obliki elektri~nega toka(za opravljanje koristnega dela), v elektrolitu pa ioni. Ti so pri ni`jih temperaturahv kislinskih elektrolitih kationi, v bazi~nih pa so prete`no hidroksidni anioni OH–.V visokotemperaturnem obmo~ju poteka transport ionov preko karbonatnih CO3

2–-ali oksidnih O2–-anionov.


Slika 10.8. Delovanja gorivne celice

Pri gorivnih celicah vstopa vodik pri anodi, kjer pod vplivom katalizatorja ionizira:molekula vodika razpade na dve kationa in odda dva prosta elektrona:

H2 → 2 H+ + 2 e– (10.21)

Anoda prevaja proste elektrone, povezana je s katodo preko zunanjega tokokroga,kjer dobimo elektri~ni tok nizke napetosti. Kisik vstopa pri katodi. Do redukcijevodika v vodo lahko pride bodisi na katodi bodisi na anodi, odvisno od vrste goriv-ne celice, slika 10.8:

1/2 O2 + 2 H+ + 2 e– → H2O (10.22)

Skupna kemi~na reakcija je torej:

H2 + 1/2 O2 → H2O (10.23)

Gorivna celica proizvaja le majhno enosmerno napetost reda velikosti 1 V, zato jetreba pri tehni~ni uporabi ve~ celic zaporedno povezati v ustrezno velike enote.Glede na temperaturo delovanja lahko gorivne celice razvrstimo v dve skupini:nizkotemperaturne in visokotemperaturne.

Razlog, da se gorivne celice do sedaj e niso pojavile v irem obsegu, je v visokihspecifi~nih investicijskih strokih in relativno kratki trajnostni dobi obratovanja. Navisoke relativne specifi~ne investicijske stroke vplivajo predvsem drag razvoj vpovezavi s sedanjo maloserijsko proizvodnjo ter uporaba dragih gradiv za izdelavoelektrod in katalizatorjev, ki morajo biti odporni proti agresivnim elektrolitom alivisokim temperaturam. Na kratko trajnostno dobo pa vpliva zlasti zastrupljanjekatalizatorja gorivnih celic zaradi navzo~nosti neèlenih plinov, ki se spro~ajo prireformiranju plinastih in teko~ih ogljikovodikov.

266 GORIVNE CELICE

Slika 10.9. Primerjava delovanja osnovnih vrst gorivnih celic

Teoreti~no je mogo~e izvesti gorivne celice s poljubnim gorivom (snovjo, kioksidira) v teko~i ali plinasti obliki, torej tudi z gorivi, ki so bogati z ogljikom, npr.ogljikovodiki. Nasprotno od ~istega vodika, ki ga odlikujeta visoka elektrokemi~naaktivnost è pri nizkih temperaturah in enostavnost mehanizmov kemi~nih reakcijbrez neèlenih stranskih proizvodov, pa imajo druga goriva (ogljikovodiki)bistveno manjo elektrokemi~no aktivnost, razen tega pa se pri kemi~nih reakcijahtvorijo ogljikove spojine, ki pri temperaturah pod 300 °C zastrupljajo gorivnecelice.

Na splono se gorivne celice razlikujejo po vrsti elektrolita ter po temperaturidelovanja. Navadno so gorivne celice imenovane po vrsti elektrolita.

10.6.1 Nizkotemperaturne gorivne celice

Nizkotemperaturne gorivne celice delujejo u~inkovito le s ~istim vodikom, ki gapridobimo – na primer – z elektrolizo vode. Pri pridobivanju vodika iz teko~ih aliplinastih goriv v reformerju pa se izkoristek celotne pretvorbe mo~no poslabazaradi nepovra~ljivosti kemi~nih reakcij v reformerju samem in zaradi nepo-vra~ljivosti pri transportu ionov v gorivni celici. Neèlen je zlasti ogljikov mono-ksid CO, ker reagira s katalizatorjem in elektrolitom, kar skrajuje trajnostno dobogorivnih celic.

Alkalne gorivne celice (Alcaline Fuel Cell – AFC)

Za delovanje sta potrebna komprimirani vodik in kisik. Kot elektrolit rabi vodnaraztopina kalijevega hidroksida KOH. Alkalne gorivne celice delujejo pritemperaturah med 150 °C in 200 °C, z izkoristkom okrog 70 % in zmogljivostjomed 0,3 kW in 5 kW. Delujejo na osnovi ~istega vodika in kisika, zato je njihovazgradba draga (kemijsko odporne elektrode s katalizatorjem iz platine, nevarnostpu~anja). Te vrste gorivnih celic so bile prvi~ uporabljene v vesoljskem programuAppolo za pridobivanje elektri~ne energije in pitne vode.

Polimerne gorivne celice (Polymer Electrolyt Membrane Fuel Cell – PEMFC)

Elektrolit je tanka polimerna in prevodna folija, na katero je kot katalizator na obehstraneh naneen sloj platine. Izkoristek membranskih gorivnih celic je med 40 % in50 % pri temperaturi delovanja okrog 80 °C. Dananje celice dosegajo mo~i med50 kW in 250 kW. Zaradi same zgradbe in nizke temperature delovanja soprimerne za uporabo v transportni tehniki za pogon vozil in za so~asno proizvodnjoelektri~ne energije in toplote v zgradbah. ê gorivo ni ~isti vodik, npr. zemeljskiplin ali metanol, je treba uporabiti reformer, kar zmanja izkoristek in podraìnapravo.

Fosforno-kislinske gorivne celice (Phosphoric Acid Fuel Cell – PAFC)

Elektrolit je fosforna kislina. Pri obratovalnih temperaturah med 150 °C in 200 °Cdosegajo izkoristek med 40 % in 80 %. Posamezne enote imajo izhodno mo~ do200 kW, v preskuanju je raziskovalna enota z mo~jo 11'000 kW. Katalizator na


elektrodah je platina. Elektrode in drugi deli gorivne celice, ki so v stiku zelektrolitom, morajo biti zgrajeni iz korozijsko odpornih gradiv.

Pri uporabi ogljikovodikov se na elektrodah tvori ogljikov monoksid. Pri koncen-tracijah ogljikovega monoksida do 1,5 % in temperaturi 200 °C je elektrolitodporen proti neèlenim kemi~nim reakcijam. To omogo~a iro izbiro goriv, npr.naftnih derivatov, brez predpriprave v posebnem reformerju. Iz goriva pa je trebaizlo~iti `veplo.

10.6.2 Visokotemperaturne gorivne celice

Visokotemperaturne gorivne celice ne potrebujejo predhodnega lo~evanja vodika izteko~ih ali plinastih goriv, saj prihaja zaradi visokih temperatur do disociacijegoriva na sami anodi gorivne celice, pri ~emer se del toplote iz elektrokemi~nereakcije porabi. Preseèk spro~ene toplote je na razpolago pri zelo visoki tempe-raturi in jo je mogo~e uporabiti bodisi v prigrajenih plinskih ali parnih kro`nihprocesih ali pa kot vir toplote v ogrevalnih postrojenjih. Ugodne obratovalnekarakteristike, kot so enostavno vzdrèvanje, nizka raven hrupa in vibracij, nizkeemisije plinov in majhna poraba vode, omogo~ajo vgradnjo taknih sistemov vurbana okolja. Zaradi visokih temperatur delovanja je uporaba visokotemperaturnihgorivnih celic omejena na stacionarne energetske objekte za pridobivanje elek-tri~ne energije in toplote.

Karbonatne gorivne celice (Molten Carbonate Fuel Cell – MCFC)

Elektrolit je sestavljen iz visokotemperaturnih karbonatov, npr. natrijevih alimagnezijevih, v obliki taline. Te celice dosegajo izkoristek med 60 % in 80 % pritemperaturi okrog 650 °C. V obratovanju so enote z mo~jo do 20'000 kW, na~rto-vane pa so e ve~je.

Kataliza se odvija na enostavnih in cenenih nikljevih elektrodah. Gorivne celice sopri visokih temperaturah odporne proti onesnaènju z ogljikovimi oksidi, toplota pase lahko uporabi za delovne procese ali pa za so~asno pridobivanje elektri~neenergije in toplote. Pri kemi~nih reakcijah se v gorivni celici porabljajo ogljikoviioni, zato je treba na katodni strani dovajati ogljikov dvokis.

Keramiène gorivne celice (Solid Oxid Fuel Cell – SOFC)

Elektrolit je iz kerami~ne zmesi kovinskih oksidov, kar je zelo ugodno, saj ne morepriti do izlitja. Te vrste celic delujejo pri zelo visokih temperaturah okrog 1000 °Cz izkoristkom do 60 %. Posamezne enote imajo izhodno mo~ okrog 100 kW. Kotkatalizator na elektrodah se uporablja platina.

10.6.3 Gorivne celice v kro`nih procesih

Pri visokotemperaturnih gorivnih celicah se le manji del spro~ene toplote porabiza reformiranje goriva. Preostala toplota s temperaturo od 650 °C do 1000 °C selahko koristno uporabi v razli~nih delovnih kro`nih procesih, s ~imer se skupni

268 GORIVNE CELICE

izkoristek pretvorbe bistveno pove~a. Na~eloma je visokotemperaturne gorivnecelice mogo~e kombinirati z razli~nimi procesi, vendar je z vidika tehni~neizvedljivosti in gospodarske upravi~enosti zanimivih le nekaj izvedenk; dve izmednjih sta predstavljeni v nadaljevanju.

Gorivne celice in parni kro`ni procesShemo sestavljenega procesa prikazuje slika 10.10. V utilizatorju so lo~enoprikazane povrine prenosnikov toplote za reformiranje goriva, pregrevalnika,uparjalnika ter grelnika vode in zraka. Takna zasnova omogo~a u~inkovitoobratovanje v irokem obmo~ju obremenitev. Izkoristek pretvorbe z uporabokerami~nih gorivnih celic (SOFC) presega 55 %, zaradi obratovalnih lastnostigorivnih celic je izkoristek pri delnih obremenitvah e ve~ji.

Gorivne celice in plinski kro`ni procesToploto iz gorivnih celic uporabimo za predgretje zraka pred gorilnikom, kakor jeprikazano na sliki 10.11. Gorivnim celicam dovajamo komprimiran zrak in s temizboljamo njihovo delovanje. Za reformiranje lahko uprabimo paro, pridobljeno vutilizatorju za plinsko turbino. Tak, sestavljeni delovni proces se je izkazal za zeloobetavnega: dosega izkoristke do 70 % in ima zelo nizke vrednosti koncentracijeNOX v izpunih plinih plinske turbine.


Slika 10.10. Gorivne celice in parni kro`ni proces

10.7 Novi energijski viri

Gledano na daljo dobo lahko zagotovijo blagostanje samo novi viri energije.Mednje spadajo predvsem: sevanje sonca, cepitev jeder (jedrska fizija) v novihtipih jedrskih reaktorjev in spajanje jeder (jedrska fuzija). Energija son~negasevanja bo v prihodnjih desetletjih, skupaj s potencialno energijo vode, zagotavljalapribli`no 25 % vseh potreb po primarni energiji. Na ra~un zmanjevanja deleàfosilnih energijskih virov – predvsem plinastih in teko~ih – se bo pove~eval dele`jedrskih: najprej v obstoje~ih in novih fizijskih reaktorjih (pri tem pri~akujemo, dabodo oplodni jedrski reaktorji nasledili dananje termi~ne) in pozneje v fuzijskihjedrskih reaktorjih. Ti naj bi ~lovetvu v naslednjih stoletjih zagotovili dovoljkoristne energije.

V poglavju o jedrskih elektrarnah je bil govor o jedrski fiziji – o cepitvi jeder te`kihelementov v jedra la`jih. Po kon~ani cepitvi je ostalo prostih nekaj nevtronov,skupna masa pa je postala manja, kot je bila pred cepitvijo. Razlika v masi se je poEinsteinovi ena~bi W = m · cs

2 spremenila v energijo. ê so v neposredni bliìni edruga jedra, lahko ti prosti nevtroni sproìjo nadaljnjo cepitev.

Nasprotno se dogaja pri jedrski fuziji – pri spajanju jeder lahkih elementov v jedrate`jih. Nova jedra imajo skupaj manjo maso kot prvotna, razlika v masi se tudi vtem primeru pojavi kot energija. Ta vrsta energije je poznana: energija sevanjasonca, energija vodikove atomske bombe.

270 NOVI ENERGETSKI VIRI

Slika 10.11. Gorivne celice in plinski kro`ni proces

Spajanje jeder je te`ko vzpostaviti in e te`je obdràti. Jedra atomov so namre~pozitivno nabita in se zato med seboj odbijajo. Da pride do spajanja jeder, je trebato elektrostati~no pregrado (Coulombove sile) nekako premostiti – jedra je trebaspojiti z neko zunanjo silo. Za to morajo biti izpolnjeni trije glavni pogoji:

• zelo visoka temperatura: jedra se morajo gibati zelo hitro;• velika gostota: jedra morajo biti dovolj tesno skupaj, da se pove~a verjetnost

trkov;• stisnjena in vro~a jedra morajo biti dovolj dolgo v tem stanju, da se za~ne

njihovo spajanje in da se le-to tudi obdrì.

Na soncu je ta sila te`nost, ki drì skupaj, stiska in razàri jedra atomov. To jemogo~e samo pri zvezdah, ki imajo dovolj veliko maso in dovolj visoko tempe-raturo; na zemlji ni teh pogojev, zato je treba iskati drugo pot.

Pri temperaturah nad 10'000 °C je vsaka snov v obliki plazme: elektroni, ki sicerkroìjo okrog jeder, se pri visokih temperaturah lo~ijo od njih. Nastane plazma – toje meanica, ki jo sestavljajo prosti, negativno nabiti elektroni in prosta, pozitivnonabita jedra ali ioni. Plazma je torej sestavljena iz elektri~no nabitih delcev in jo jezato mogo~e z magnetnim poljem obdràti v dolo~enih tirih.

Po dosedanjih izkunjah se najlaè spajata izotopa vodika: devterij in tricij.Devterij je naraven izotop, vsak liter morske vode ga vsebuje 0,0297 g; tricij vnaravi ne obstaja, pridobiti ga je mogo~e iz litija, vendar je radioaktiven. Da bidosegli podobne pogoje, kot so na Soncu, je treba ta dva izotopa segreti na najmanj100 · 106 K. To je precej ve~, kot je temperatura v notranjosti Sonca, ki je le(15–20)·106 K, vendar je to potrebno zaradi manje gostote plazme, s katero ima-mo opravka na zemlji. ê bi se nam posre~ilo ujeti plazmo v magnetno polje, bidosegli atomi vodika pri visokih temperaturah tako veliko notranjo energijo, da bidovolj pogosto udarjali drug ob drugega in se kon~no spojili v te`ja jedra helija.

Tudi pri spajanju jeder so najva`neji nosilci energije nevtroni (80 %) in samo vmanji meri α-delci (20 %). V opisanem primeru se zmanja masa pribli`no za0,4 %. Pri 1 kg plazme je tako spro~ena energija po Einsteinovi ena~bi enaka:

W = 0,4 · 103 · 300'000'0002 = 36 · 1018 J

Jedro devterija sestavljata pozitivno nabit proton in nevtron, jedro tricija pa protonin dva nevtrona. ê pride do spajanja jeder teh dveh vodikovih izotopov, dobimojedro helija, ki je sestavljeno iz dveh protonov in dveh nevtronov, enega α-delca inprostega nevtrona:

2D + 3T → 4He + n + 17,6 MeV (10.24)

Spajanje jeder je mogo~e dose~i v posebni napravi, imenovani tokamak, ki jezgrajena v obliki obro~a in obdana z mo~nimi elektromagneti. V obro~u se plinzaradi elektri~nega stika segreje in spremeni v plazmo. Obro~ ima troje magnetnihpolj z namenom, da prisilijo vklenjeno plazmo, da se odmakne od sten, da ostanestisnjena in vro~a, slika 10.12. Zaradi nastalega vmesnega vakuuma plazma ne


272 NOVI ENERGETSKI VIRI

Slika 10.12. Delovanje tokamaka: A – plazma, B – silnice magnetnega polja,C – smer toka plazme, ^ – vertikalno magnetno navitje, D – toroidno magnetnonavitje, E – transformatorsko navitje

Slika 10.13. Doslej opravljene raziskave in podro~je samodejnega delovanjajedrske fuzije: A – Alcator, Boston, ZDA, B – Asdex, Garching, Nem~ija, C –D III-D, San Diego, ZDA, ^ – Isar 1, Garching, Nem~ija, D – Iter, EU, Japonska,ZDA in Rusija, E – Jet, Culham, Velika Britanija, F – JT 60, JT 60-U, Naka,Japonska, G – Pulsator, Garching, Nem~ija, H – TFTR, Princeton, ZDA, I – ToreSupra, Cadarache, Francija, J – T3, T10, Moskva, Rusija, K – Wendelstein,Garching, Nem~ija

more priti v dotik s hladno steno. Tako se manj hladi in se ne more navzetine~isto~. Z nara~anjem temperature se elektri~na prevodnost plazme mo~nopove~a, njena elektri~na upornost postaja torej manja; s tem se manja tudidovedena energija, ki je potrebna za gretje plazme.

Spajanje jeder v plazmi pa ni odvisno samo od visoke temperature, ampak tudi odzmno`ka ~asa, ko se dovedena energija zadrùje v plazmi, in gostote te plazme.Zaradi izredno visokih temperatur je zelo te`ko dovolj dolgo zadràti v plazmidovedeno energijo. îm je doseèno spajanje jeder, je mogo~e izklju~iti dovodenergije od zunaj, spajanje jeder postane samodejno. Tako samodejno spajanje pane proizvaja samo dovolj toplote za ohranjevanje visoke temperature, ampak tudidovolj energije za priklju~en parni ali kak drug proces.

Kako dale~ so prili znanstveniki, prikazuje slika 10.13. Na ordinati je nanesenagostota (1 kg/cm3) pomnoèna s ~asom (s), v katerem je energija ostala pri èlenihparametrih, na abscisi pa absolutna temperatura (K). Kljub mnoìci nereenihproblemov znanstveniki upajo, da bodo prvi fuzijski jedrski reaktorji za~eliobratovati sredi tega stoletja. Pri tem je è danes znano, da gre manj kot 10 % vsehstrokov za gorivo, vsi drugi stroki so investicijski. Sevanje je v primerjavi zfizijskimi jedrskimi reaktorji nizko, odpadki, ki so nevarni okolju, pa so prifuzijskem reaktorju precej manj nevarni kot pri fizijskem.


Documents

MATIJA TUMA • MIHAEL SEKAV^NIK ENERGETSKI SISTEMIlab.fs.uni-lj.si/kes//gospodarjenje_z_energijo/Skripta-ESistemi.pdf · ε prostorninski dele`, poroznost ... S sevanje, sonce, stena,