Priručnik "Obnovljivi izvori energije"

1

OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE

PRIRUČNIK

OBNOVLJIVIIZVORI ENERGIJE

HRVOJE PANDŽIĆ | IVAN RAJŠL | TOMISLAV CAPUDER | IGOR KUZLE

Projekt je sufinancirala Europska unija iz Europskog socijalnog fonda.

Europska unijaUlag t

Više informacija na www.strukturnifondovi.hr

Korisnik

GimnazijaNova Gradiška

Strojarski fakultetu Slavonskom Brodu PARTNERI

PRIRUČNIK ZA NASTAVNIKE

OBNOVLJIVIIZVORI ENERGIJE

Europska unijaUlag t

OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJEPriručnik za nastavnike

Autori: Doc. dr. sc. Hrvoje Pandžić | Dr. sc. Ivan Rajšl | Doc. dr. sc. Tomislav Capuder | Prof. dr. sc. Igor Kuzle

Korisnik:GIMNAZIJA MATIJA MESIĆNaselje Slavonija I br.8, 35000 Slavonski BrodTel.: +385 35 446 252 (centrala), +385 35 446 251 (ravnatelj)Fax.: +385 35 402 880E-mail: [email protected] | Web: http://www.gimnazija-mmesic-sb.skole.hr

Grafičko oblikovanje: Udruga Lima - Tin Horvatin

Tisak: Diozit d.o.o.

Partneri:GIMNAZIJA NOVA GRADIŠKATrg kralja Tomislava 9, 34000 Nova Gradiška, HrvatskaTel: +385 35 361 427 | Fax: +385 35 492 721Email: [email protected] | Web: http://gimnazija-nova-gradiska.skole.hr

STROJARSKI FAKULTET U SLAVONSKOM BRODUTrg Ivane Brlić Mažuranić 2, 35000 Slavonski Brod, HrvatskaTel: +385 35 446 188 | Fax: +385 35 446 446Email: [email protected] | Web: http://www.sfsb.unios.hr

Posrednička tijela:MINISTARSTVO ZNANOSTI, OBRAZOVANJA I SPORTADonje Svetice 38, 10000 Zagreb, Hrvatskawww.mzos.hr | email: [email protected]

AGENCIJA ZA STRUKOVNO OBRAZOVANJE I OBRAZOVANJE ODRASLIHOrganizacijska jedinica za upravljanje strukturnim instrumentimaRadnička cesta 37b, 10000 Zagreb, Hrvatska - www.asoo.hr/defco/email: [email protected]

Gimnazija Matija Mesić, Slavonski Brod, 2016.Sva prava pridržana. Nije dopušteno niti jedan dio ovog priručnika reproducirati ili distribuirati u bilo kojem obliku ili pohraniti u bazi podataka bez prethodnog pismenog odobrenja nakladnika.

Priručnik je izrađen u sklopu projekta „STEM genijalci“ kojega je sufinancirala Europska unija iz Europskog socijalnog fonda.

Više informacija o EU fondovima na www.strukturnifondovi.hr.

Slavonski Brod, 2016.

.................................................................................1

...............................................12

......................................................................................27

...................................................................................54

.....................................................................................88

................................................................................113

.................................................................................126

.......................................143

..........................................................................157

....................................................................168

SADRŽAJ - popis poglavlja

I. Uvod u energetiku

II. Osnove elektroenergetskog sustava

III. Hidroelektrane

IV. Energija Sunca

V. Energije vjetra

VI. Pohrana energije

VII. Biomasa i bioplin

VIII. Interakcija toplinske i električne energije

IX. Geotermalna energija

X. Energetska učinkovitost

1


I. UVOD U ENERGETIKUENERGIJA

U svakodnevnom životu često su u upotrebi fraze kao npr.: ‘Koliko troši taj automobil?’; ‘Nemam više snage!’; ‘Koliko kalorija ima to jelo?’; ‘Opet mi je prazan mobitel!’ i sl. Svima njima je pov-eznica energija. Gotovo je nemoguće navesti aktivnost koja se odvija na Zemlji i u Svemiru, a koja ne zahtijeva određenu razinu energije. No što je zapravo energija, kako ju opisati, koristiti, transformirati i mjeriti?

(grčke riječi ἐνεργóς: aktivnost; ἐνέργεıα: rad, učinak)

Za određeni definirani sustav može se reći da posjeduje energiju ukoliko je taj isti sustav sposo-ban izvršiti neki rad. Drugim riječima energija je jedna od karakteristika koja se može pridružiti sustavu, a promjena energije sustava jednaka je uloženom radu tog sustava. Prema međunarod-nom sustavu mjernih jedinica (fra. Système International d’Unités, kratica SI) mjerna jedinica za energiju je džul - J (prema fizičaru James Prescott Joule-u).

Za energiju vrijedi zakon očuvanja energije: energija je nestvoriva i neuništiva odnosno energija zatvorenog sustava (sustava koji ne izmjenjuje energiju s okolinom) je konstantna. Vrlo važno svojstvo energije je da može mijenjati oblik i može se reći da energetika počiva upravo na tom svojstvu energije.

Energija se može javiti bilo u sakupljenom (nagomilanom) obliku ili u prijelaznom obliku (slika). Sakupljeni oblici energije ostaju dugo u svom izvornom obliku dok prijelazni oblici energije pred-stavljaju tek privremene, prijelazne pojave kod promjene oblika sakupljene energije.

Zadatak: Navedite nekoliko primjera potencijalne i kinetičke energije.

Oblici energije koji se nalaze u prirodi (sakupljeni oblici energije koji prethodno nisu prošli pro-ces pretvorbe) nazivaju se primarnom energijom. U prirodi je energija često pohranjena u obli-ku koji se ne može neposredno koristiti, stoga se primarni oblici energije trebaju transformirati (prijelazni oblici energije) u korisne oblike energije koje mogu direktno koristiti krajnji potrošači energije. Velika većina primarnih oblika energije ima zajedničko podrijetlo – energiju Sunca i njegova zračenja. Energija Sunca pohranjena je u fosilnim gorivima (nafta, plin, ugljen), drvetu,

2


hrani, uzrokuje gibanje vode (tokovi, morske struje, valovi) i zraka (vjetar) i konstantno isporučuje neposrednu toplinu koja se svakodnevno koristi na Zemlji. Preostali dio primarne energije pot-ječe od energije Zemlje (geotermalna energija) i energije gravitacije (plima i oseka).

S obzirom na nosioca i učestalost primjene primarni oblici energije dijele se na konvencionalne (uobičajene) i nekonvencionalne (slika).

Konvencionalnim primarnim izvorima energije smatramo one izvore energije koji su kroz povijest imali najveći udio u tradicionalnoj energetskoj opskrbi. Nekonvencionalni primarni izvori energi-je tradicionalno su predstavljali samo dopunu uobičajenim izvorima energije, a tek u posljednje vrijeme povećana je njihova zastupljenost.

U nekonvencionalne izvore energije ubrajamo i one izvore koji su korišteni davno, ali je njihova primjena uglavnom napuštena.

Primarne oblike energije moguće je podijeliti i s obzirom na njihovu obnovljivost. Tako one ob-like primarne energije koji se prirodno obnavljaju kružnim procesima i čiju energiju je s vremen-om nemoguće iscrpiti nazivamo obnovljivim izvorima energije. Važno je naglasiti da je njihove kapaciteti ipak moguće iscrpiti.

Nasuprot obnovljivim izvorima energije, postoje i neobnovljivi oblici energije čije se rezerve ko-rištenjem smanjuju i moguće ih je s vremenom iscrpiti. Osnovne vrste obnovljivih i neobnovljiv oblika energije prikazane su na slici.

3


Zadatak: Diskutirajte razliku između iscrpljivanja energije i iscrpljivanja kapaciteta (potencijala) obnovljivih izvora energije.

Ukupna energija pohranjena u svim izvorima energije na Zemlji naziva se energetskim resursi-ma. Trenutna razina tehnološkog razvoja i gospodarskog razvoja ne omogućava ekonomično is-korištavanje svih energetskih resursa. Onaj dio energetskih resursa koji je u sadašnjosti iskoristiv na ekonomičan način naziva se energetskom rezervom ili pričuvom.

Transformiranjem iz primarnih oblika energije dobivaju se prijelazni oblici energije: mehanič-ka, toplinska i električna energije. Za razliku od električne i toplinske energije koje je moguće prenositi na veće ili manje udaljenosti mehanički rad se može samo direktno iskorištavati na mjestu transformacije. Primjer lanca pretvorbe energije iz primarnog oblika u korisni oblik energi-je prikazan je na slici.

4


ENERGENTI

Kao što je opisano u prethodnom poglavlju, energija ima ogroman broj pojavnih oblika ili, drugim riječima, materijalnih nositelja. Upravo ti materijalni nositelji energije, odnosno tvari koje služe kao sirovine u procesima pretvorbe i dobivanja energije, nazivaju se energentima. Energenti se dijele na primarne i sekundarne.

Primarni energenti su zapravo materijalni nositelji primarnih oblika energije. U primarne ener-gente svrstavaju se fosilni energenti (nafta, prirodni plin i ugljen), energenti za atomsku energiju (uran i torij) i obnovljivi izvori energije. Kroz daljnja poglavlja biti će detaljno opisne pojedine vrste obnovljivih izvora energije. U nastavku teksta u okviru ovog poglavlja biti će iznesene osnovne činjenice o fosilnim energentima i energentima za atomsku energiju.

U fosilne energente ubrajaju se nafta, prirodni plin i ugljen, sve odreda sakupljeni pojavni oblici unutarnje, kemijske energije. Procesom izgaranja fosilni energenti prelaze u druge oblike en-ergije. Zbog njihovog porijekla, načina i vremena nastanka ovi energenti se nazivaju fosilnim. Njihova starost se uglavnom broji u stotinama milijuna godina.

JESTE LI ZNALI?

Fosilni energenti potječu od živih organizama! Nastali su od prapovijesnih biljaka i životinja koje su živjele prije više od stotinu milijuna godina.

Fosilni energenti nastali tijekom perioda koji se zove karbon (350 do 285 milijuna godina prije naše ere), a dio je geološke ere paleozoika. Ime potječe od kemijskog elementa ugljika (lat. car-bonus), koji je osnovni element fosilnih energenata. Nakon ugibanja drevnih organizama došlo je do njihove razgradnje, a ti produkti su ostali zarobljeni ispod više slojeva blata, kamena ili pijeska. Tijekom milijuna godina, mrtve biljke i životinje se polako razgrađuju u organske materijale i tako formiraju fosilne energente. Vrstu formiranog fosilnog energenta određuje više čimbenika kao što su prisutna kombinacija životinjskih i biljnih ostataka, vrijeme tijekom kojeg su ostatci bili za-robljeni kao i temperatura i tlak koji su vladali tijekom raspadanja ostataka organizama.

Prije oko 300 milijuna godina započeo je proces stvaranja ugljena. Milijunima godina stvarali su se slojevi blata preko ostataka ogromnih drevnih biljaka koje su se taložile u močvarama. To blato je omogućilo odlične uvjete za nastanak ugljena – visoka temperatura i tlak. Budući da se ugljen većinom nalazi ispod sloja stijena i blata do njega se dolazi iskapanjem u ugljenokopima ili rudnicima. Ugljen se najviše koristi za proizvodnju čelika i električne energije. Izgledom i tvr-doćom ugljen podsjeća na crno obojani kamen, a sastavni dijelovi su mu ugljik, vodik, kisik, dušik i različiti udjeli sumpora. Što je udio ugljika u ugljenu veći to je veća i njegova tvrdoća i, još bitnije, njegova energetska vrijednost. Antracit ima najviše ugljika, mrki ugljen nešto manji udio ugljika dok je lignit najmekši i ima mali udio ugljika, no puno vodika i kisika. Za energetske potrebe mo-guće je koristiti i prethodnicu ugljena - treset. Uz to što je najrasprostranjeniji, ugljen je i fosilni energent s najvećim rezervama. Korištenje ugljena počelo je relativno davno. Pretpostavlja se da je ugljen korišten u Kini za obradu bakra 1000 godina prije nove ere, a za upotrebu u domaćinst-vima i prije toga (oko 1500 godina prije nove ere). Nakon industrijske revolucije upotreba ugljena značajno je porasla.

Proces nastanka nafte nešto je drugačiji u usporedbi s ugljenom. Nafta je nastala od ostataka drevnih biljaka i životinja koje su živjele u vodi. Prije oko 300 - 400 milijuna godina započeo je proces taloženja ostataka na morsko dno. Potom su nataloženi ostaci prekrivani pijeskom i mul-jem koji su prije 50 - 100 milijuna godina počeli stvarati dovoljno visoke temperature i tlakove za stvaranje nafte i prirodnog plina. Do nafte se dolazi bušotinama kroz debele slojeve pijeska, mulja i stijena.

JESTE LI ZNALI?

Nafta se ne nalazi u podzemnim bazenima kako mnogi misle! Nafta se zapravo nalazi pod veli-kim tlakom u sitnim porama između stijena.

5


Budući da se nafta nalazi između stijena pod velikim tlakom prodor bušotine do razine u kojoj se nalazi nafta uzrokuje navalu nafte iz sitnih pora u cijev bušotine (slično kao ispuštanje zraka iz ba-lona). Nakon slabljenja prirodnog tlaka nafte počinje proces ispumpavanja nafte iz bušotine. Zad-nja faza eksploatacije je ispiranje nafte upumpavanjem vode u ležište nafte kroz drugu bušotinu. Unatoč svim naporima u ležištima ostaje oko 60% početne količine nafte koja se još uvijek ne može na ekonomičan način ispumpati. Nafta se počela koristiti i prije ugljena, 3000-4000 godina prije nove ere. Asirci i Babilonci su koristili bitumen i sirovu naftu, a Egipćani su koristili sirovu naftu kao lijek za rane te kao izvor svjetla. Suvremena povijest nafte počinje 1859. godine u Pens-sylvaniji gdje je Edwin L. Drake otkrio naftu ispod zemlje i način kako da ju dovede na površinu.

Prirodni plin nastaje na sličan način kao i nafta, ali u uvjetima još više temperature i tlaka. Nalazi se u sklopu ležišta nafte ili u zasebnim ležištima. Uglavnom se sastoji od metana i ljudima je u prirodnoj formi neprimjetan (nema boje, okusa, mirisa ni oblika).

JESTE LI ZNALI?

Miris pokvarenih jaja koji se pripisuje prirodnom plinu je zapravo posljedica aditiva koji se doda-ju prirodnom plinu kako bi ljudi mogli registrirati neželjeno puštanje plina.

Prvi susret čovjeka s prirodnim plinom nastao je vjerojatno sasvim slučajno: udar munje zapalio je prirodni plin koji je uspio prodrijeti kroz zemljinu koru. Ove pojave se u povijesnim zapisima s područja današnjeg Iraka i Irana navode kao ‘vječne baklje’. Upotreba prirodnog plina značajno je porasla nakon drugog svjetskog rata uslijed velikog napretka u značajkama metala i tehnologi-ji izrade metalnih konstrukcija i cijevi što je omogućilo izgradnju novih jeftinijih plinovoda.

Od industrijske revolucije pa do današnjih dana fosilni energenti su temelj opskrbe energijom. Osim za energetske svrhe mogu se koristiti i za tzv. neenergetske svrhe: kao sirovine za izra-du neenergetskih dobara (rafinerije i petrokemije); direktno korištenje svojstava goriva (za pod-mazivanje, bitumen kao izdrživo vodonepropusno sredstvo); kao otapala (razrjeđivači i sredstva za čišćenje) i dr. Od fosilnih energenata danas glavnu ulogu ima nafta i u skoroj budućnosti ne očekuje se značajna promjena trenda korištenja nafte. Potrošnja prirodnog plina je u porastu zbog novootkrivenih zaliha i razvoja vrlo učinkovitih plinskih uređaja za grijanje. U odnosu na naftu prirodni plin je manji zagađivač okoliša. Uloga ugljena je u prošlosti bila značajna, no s vremenom se njegov udio u potrošnji primarne energije smanjuje iako su rezerve ugljena jed-noliko rasprostranjene po svijetu i predstavljaju najveće rezerve fosilnih energenata. Ugljen je najveći zagađivač okoliša od svih fosilnih energenata, što je ujedno i najznačajniji razlog sman-jenja njegove potrošnje.

Energent za atomsku energiju (nuklearno gorivo) je materijal koji sadrži atomske jezgre nekih teških kemijskih elemenata kojima se mogu ostvariti nuklearni procesi za oslobađanje energije. Sva trenutna nuklearna goriva koriste se u procesu fisije, razbijanja većih nuklida u više manjih uz oslobađanje energije. U najčešća nuklearna goriva ubrajaju se tri fisilna nuklida : uranij-235 (235U), plutonij-239 (239Pu) i uranij-233 (233U) od kojih se samo izotop uranija 235U nalazi u prirodi više nego u tragovima. Pri tome 235U čini samo oko 0,7% prirodnog elementa uranija, stoga se taj ma-terijal zove prirodno ili primarno nuklearno gorivo. Druga dva teška nuklida, 239Pu i 233U, dobivaju se u nuklearnim reaktorima. Bombardiranjem neutronima od 238U nastaje 239Pu, a od 232Th (torij) nastaje 233U - to su sekundarna nuklearna goriva, a 238U i 232Th od kojih nastaju ta sekundarna goriva nazivaju se oplodnim materijalima.

Izvorni materijali za nuklearno gorivo, uranij i torij, široko su rasprostranjeni u Zemljinoj kori te predstavljaju veliki energetski potencijali. Klasičan način proizvodnje urana predstavljaju metode površinskog i dubinskog iskapanja. Tehnika iskapanja ne razlikuje se bitno od onih u rudnicima ugljena, osim što postoji dodatna opasnost od radioaktivnosti za osoblje rudnika.

JESTE LI ZNALI?

Energija koja se oslobodi potpunom fisijom 1 kg 235U približno je jednaka energiji koja se dobije

6


izgaranjem 2,7 milijuna kg ugljena.

Uran je 1789. godine otkrio njemački kemičar Martin Heinrich Klaproth u uranovom smolincu, koji je danas jedna od najvažnijih uranovih ruda. Ime je dobio po planetu Uranu otkrivenom osam godina ranije. Atomski broj urana je 92 (92 protona i 92 elektrona) i pripada skupini aktinida u periodnom sustavu elemenata. Uran je čest element u zemljinoj kori, a u malim koncentracijama nalazimo ga u tlu, stijenama i vodi. U čistom, elementarnom stanju, uran je srebrno–bijeli, razm-jerno mekan i vrlo težak radioaktivni metal. Kao i ostali elementi, uran se u prirodi pojavljuje kao smjesa različitih izotopa koji se međusobno razlikuju po broju neutrona. Glavni izotopi prirodnog urana, s pripadajućim težinskim udjelima, su: 238U (99.283%), 235U (0.711%) i 234U (0.006%).

Jedna od značajnih prednosti nuklearne energije je proizvodnja energije bez emisije CO2 i veće energetske rezerve u odnosu na fosilna goriva. Istovremeno prisutan je značajan otpor koji je jednim dijelom opravdan stvarnim opasnostima ali istovremeno i prenapuhan neopravdano nekim izmišljenim opasnostima. Energente za atomsku energiju koriste prije svega razvijene države koje su siromašne drugim primarnim energentima (Francuska i Japan).

Transformacijom ili pretvorbom primarnih energenata dobivaju se sekundarni energenti. Tri su osnovne grupe sekundarnih energenata. U prvu grupu spadaju sekundarni energenti koji nas-taju doradom primarnog energenta s ciljem povećanja upotrebne vrijednosti. Tako se na primjer ugljen može doraditi u koks, drvo u brikete, prirodni uran u obogaćeni uran, sirova nafta u benzin ili dizel gorivo i sl. Drugu grupu sekundarnih energenata predstavljaju para ili vrela voda kao materijalni nosioci toplinske energije proizvedene izgaranjem drugog energenta. Zadnju grupu sekundarnih energenata predstavlja najuniverzalniji i najrašireniji upotrebni oblik energije – elek-trična energija koja se relativno jednostavno i ekonomično prenosi i iskorištava.

ENERGETIKA

Budući da proizvodnja, transport i potrošnja energije zahvaća različite sfere ljudskog djelovanja, pri analiziranju energetskih potreba i identificiranju nužnih energetskih izvora i resursa potreb-no je voditi računa o mnogim čimbenicima, prije svega tehničkim i tehnološkim, ekonomskim, društvenim i ekološkim. Tim kompleksnim područjem, ukratko nazvanim upravljanje energijom, bavi se energetika. Zbog svoje multidisciplinarnosti energetika se može definirati na više načina. Iz znanstveno-stručnog gledišta energetika je znanost o energiji, upravljanju energijom i pri-padajućim tehnologijama uporabe dostupnih izvora energije. S ekonomskog gledišta energetika združuje gospodarske aktivnosti koje uključuju: istraživanje potencijala i dostupnosti primarnih energenata; načine proizvodnje primarnih energenata; pretvorbu i transport oblika energije do potrošača te potrošnju energije (bilo primarne ili sekundarne) na razini krajnjih potrošača. Ukrat-ko i sasvim općenito energetika je gospodarska grana kojoj je zadatak omogućiti kontinuiranu opskrbu potrošača nužnom energijom.

Sastavne cjeline kojima se energetika bavi mogu se nazvati energetskim sustavima (lancima). Energetski sustav je pri tome mreža međusobno povezanih izvora energije, spremnika energi-je i potrošača energije. Povezivanje se uobičajeno izvodi pomoću prijenosa energije od proiz-vođača i/ili spremnika energije preko distribucije te energije do krajnjih potrošača. U nastavku teksta biti će riječi o najznačajnijim energetskim sustavima u okviru energetike.

Kao jednostavan primjer svakodnevnog energetskog sustava može poslužiti sljedeći energetski lanac. Polazna točka većine energetskih lanaca (sustava) je kako je već rečeno Sunce. Energija Sunca se procesom fotosinteze pretvara u kemijsku energiju u biljkama, koju one potom koriste za proizvodnju šećera i škroba. Ljudi i životinje prehranom koriste proizvode biljaka procesom probave i pohranjuju dobivenu energiju u svojim organizmima. Ta energija može se upotrijebiti za neki koristan fizički rad kao na primjer cijepanje drva. Na taj način se energija Sunca na koncu pretvorila u korisni mehanički rad kroz jedan vrlo složen proces pretvorbe pojavnih oblika en-ergije. Navedeni primjer energetskog lanca spada u tzv. prirodne energetske sustave. Hranid-beni lanac u prirodi ili metabolizam čovjeka još su neke od vrsta prirodnih energetskih sustava.

7


Zadatak: Možete li navesti još neki primjer prirodnog energetskog sustava?

Nasuprot prirodnim, postoje i umjetni energetski sustavi koje je za svoje potrebe stvorio čov-jek. Energetika se dominantno bavi umjetnim energetskim sustavima. Klasičan primjer umjetnog energetskog sustava je elektroenergetski sustav (o koju će više riječi biti rečeno kasnije) koji potrošačima isporučuje električnu energiju kao koristan oblik energije.

Energetski sustavi uglavnom se oslanjaju je jedan dominantan energent. U tom kontekstu ener-getske sustave može se podijeliti na umrežene i neumrežene energetske sustave (umrežene i neumrežene energente). Neumreženi energenti su oni energenti za čiji je transport uglavnom nužan transport, obično željeznicom ili kamionima cisternama na kopnu te tankerima na vodenim putevima. Tu spadaju prije svega ugljen i nafta iako se nafta ipak jednim dijelom transportira naf-tovodima. Kod umreženih energenata postoji povezan mrežni sustav koji povezuje proizvodnju i potrošnju energenta. Tu spadaju električna energija, plin i toplinska energija. Kod umreženih en-ergenata mreža je ključna sastavnica koja omogućava transfer energenta od proizvođača do ko-risnika. U ovakvim sustavima nužna je koordinacija proizvodnje i potrošnje energenta budući da su mogućnosti skladištenja uglavnom ograničene. Izgradnja ovakvih umreženih sustava iziskuje značajne investicijske troškove budući da se zbog povećanja sigurnosti opskrbe i smanjenja operativnih troškova radi uglavnom o velikim umreženim sustavima.

Slika pokazuje trend potrošnje primarnih energenata u svijetu u zadnja dva stoljeća. Jasno je uočljivo da uslijed industrijske revolucije ugljen prvi, a potom i ostali fosilni energenti bilježe stal-ni rast potrošnje koji je gotovo eksponencijalan do današnjih dana. Osnovni problemi današnje energetike su nesrazmjer brzine potrošnje i proizvodnje tradicionalnih energenata (fosilnih en-ergenata i energenata za atomsku energiju) s jedne i negativan utjecaj na okoliš (emisije CO2 i radioaktivni otpad). Stoga u zadnje vrijeme svjetska energetika maksimalni napor ulaže u promo-ciju korištenja obnovljivih izvora energije, principa održivog razvoja i energetske učinkovitosti.

Još neki od problema današnje energetike su neravnomjerna raspodjela kao i neravnomjerna intenzivnost potrošnje primarnih energenata na svjetskoj razini slike.

8


JESTE LI ZNALI?

Kina je 2000. godine proizvela oko 3 puta manje električne energije nego SAD. Danas Kina proizvodi oko 30% više električne energije od SAD. Velika većina proizvedene električne en-ergije u Kini nastaje sagorijevanjem ugljena.

9


KRATKA POVIJEST KORIŠTENJA ENERGIJE I ENERGETIKE

Prije industrijske revolucije, energetske potrebe čovječanstva bile su vrlo skromne. Direktna top-lina Sunca, drvo, slama i drugi oblici dostupne biomase korišteni su za grijanje. Za mehanički rad se koristila snaga mišića ljudi, ali i pripitomljenih životinja za teže poslove za koje je ljudska sna-ga bila nedostatna. Za kopneni prijevoz koristila se snaga konja dok se na moru koristila snaga vjetra pomoću brodskih jedara. Energija vjetra i vode koristila se u mlinovima za usitnjavanje žita kao i za pumpanje vode pomoću jednostavnih uređaja. Upotreba ugljena i nafte bila je zanemari-va u energetskom smislu iako su ugljen i nafta bili poznati. Ugljen je tada bio korišten za obradu metala, petrolej za rasvjetu, a nafta za vidanje rana.

Prema nekim izvorima načela korištenja pare za pokretanje jednostavnih strojeva datiraju iz drevne Aleksandrije. Najznačajniji razvoj i usavršavanje parnog stroja događa se tijekom 17. i 18. stoljeća. Najznačajniji za široku upotrebu parnog stroja su Thomas Newcomen i James Watt koji su ga unaprijedili sredinom 18. stoljeća i tako pokrenuli industrijsku revoluciju. Temelj industrijske revolucije je korištenje vodene pare kao pogona za mehanički rad pomoću parnog stroja. In-dustrijska revolucija zahtijevala je pronalazak i upotrebu moćnijih izvora energije. Iz tog razloga se istodobno s industrijskom revolucijom značajno povećava upotreba ugljena (i nafte u drugoj polovici 19. stoljeća). Nikolaus August Otto izumio je motor s unutarnjim izgaranjem koji koristi naftu ( jedno od najvećih dostignuća industrijske revolucije). Nafta je povoljnija od ugljena u smis-lu transporta i korištenja (nema više lopatanja ugljena). Na ovaj način se počeo stvarati začarani krug: veći razvoj industrije omogućavao je bolje iskorištavanje energetskih izvora što je pak omogućilo daljnji razvoj industrije. Početkom 19. stoljeća kreće upotreba željeznice kao sredstva prometa i prijenosa dobara, a istodobno je pojačano koristi energija vjetra za potrebe farmi i žel-jeznice (pumpanje vode). Treba napomenuti da su za industrijsku revoluciju također vrlo važna i znanstvena dostignuća u 19. stoljeću kada su James Prescott Joule, Lord Kelvin i James Clark Maxwell u Engleskoj; Sadi Carnot i Rudolf Clausius u Francuskoj; i Ludwig Boltzmann u Austriji postavili temelje termodinamike. Kao jedna od posljedica industrijske revolucije početkom 19. stoljeća uvode se i prvi sustavi distribucije plina za potrebe kućanstava (kuhanje, rasvjeta) i ulične

10


rasvjete. Parni stroj koristio se za pumpanje vode u kućanstva i ispumpavanje otpadnih voda iz kućanstava. Tako su dakle kao prvi umreženi sustavi razvijeni vodoopskrbni sustav i sustav opskrbe plinom dok se tek kasnije javljaju kanalizacijski sustav, sustav za opskrbu električnom energijom te komunikacijski sustav.

Od kraja 19. stoljeća kreće nezaustavljivi razvoj elektrana i elektroenergetskog sustava. Elek-trane postaju sve veće, a prijenosni vodovi sve dulji omogućavajući tako opskrbu električnom energijom ne samo urbanim sredinama nego i u udaljenim ruralnim krajevima. Potrošnja energije udvostručavala se svakih oko 10 godina, a budući da su zbog tehnološkog razvoja troškovi proiz-vodnje konstantno padali nije se vodilo puno računa o energetskoj učinkovitosti.

Tijekom drugog svjetskog rata usporedno s razvojem nuklearnog naoružanja (Manhatan Project) tekao je i razvoj tehnologije za korištenje nuklearnog goriva u mirnodopske svrhe. Tako je nakon kraja drugog svjetskog rata krenuo razvoj koncepta, a desetljeće kasnije i izgradnja nuklearnih elektrana koje se temelje na principu kontrolirane nuklearne fisije.

Događaji iz 1970 tih godina ukazali su na nužnost u promjenama trendova i politike svjetske energetike. Naftne krize 1973. i 1979. značajno su utjecale na cijenu, ali i na raspoloživost nafte koja je tada bila jednako kao i danas fosilno gorivo s najvećom potrošnjom. Na drugu naftnu krizu nadovezala se nesreća na nuklearnoj elektrani Three Mile Island što je poljuljalo ionako krhko povjerenje javnosti u sigurnost nuklearnih elektrana. Istodobno se značajno usporio porast potrošnje energije, a u novije doba porasla je svjesnost o negativnim utjecajima koje energetika ima na okoliš i klimu. Tako se suvremena energetika našla pred novim izazovima koji traže brza i efikasna rješenja.

CILJEVI DANAŠNJE ENERGETIKE

Kako je prethodno navedeno jedan od bitnih aspekata energetike je i onaj ekološki. Tako je danas prisutan znanstveni i stručni konsenzus da je problem evidentnog globalnog zatopljenja nastao uslijed značajnog povećanja stakleničkih plinova u atmosferi, ponajviše ugljikovog dioksi-da (CO2). Jedan od glavnih izvora stakleničkih plinova je sve intenzivnije izgaranje fosilnih goriva (ugljena, nafte i prirodnog plina) od početka industrijske revolucije. Zadnjih godina čovječanstvo ispušta u atmosferu preko 30 milijardi tona CO2 godišnje slika. Dodatnom povećanju emisija stakleničkih plinova doprinosi značajno uništavanje šuma kako bi se oslobodile obradive poljo-privredne površine.

Zadatak: Pokušajte objasniti kako uništavanje šuma utječe na porast emisija stakleničkih plino-va u atmosferu.

11


Staklenički plinovi koji se akumuliraju u višim slojevima atmosfere odbijaju jedan dio dijela sunčevog zračenja natrag u svemir, ali isto tako reflektiraju jedan dio sunčevog zračenja koji se odbio od površine Zemlje natrag prema Zemlji što se naziva efektom staklenika koji je odgovo-ran za održavanje povoljne temperature na površini Zemlje.

Početak sučeljavanja čovječanstva s problemom globalnog zatopljenja predstavlja potpisivanje dva temeljna sporazuma: Okvirna konvencija UN-a o klimatskim promjenama iz 1992. i drugi Pro-tokol iz Kyota (1997. godina). Protokolom iz Kyota su industrijalizirane države postavile cilj sman-jenja emisija plinova koji stvaraju efekt staklenika za ukupno pet posto u razdoblju od 2008. do 2012. u odnosu na baznu 1990. godinu. Protokol obuhvaća emisije šest stakleničkih plinova: CO2, CH4 (metana), N2O (dušikova (I) oksida), klorofluorougljikovodika (HFC-i, PFc-i) i sumporova heksafluorida (SF6).

Bitni mehanizmi smanjenja emisija stakleničkih plinova definirani Protokolom su: mehanizam međunarodnog trgovanja emisijama, mehanizam čistog razvoja i mehanizam zajedničke proved-be. Prije kraja razdoblja definiranog Kyotskim protokolom, 2012. godine u Dohi , Katar pokrenut je Protokol iz Kyota II kojim je dogovoreno drugo obvezujuće razdoblje smanjenja emisija i to do 2020. godine. U Parizu 2015. godine većina država svijeta zakonski se obvezala ispuniti zadane obveze u pogledu smanjenja emisija stakleničkih plinova što je do sada najveći korak prema smanjenju emisija.

Suvremena energetika orijentira se tako sve više prema načelima održivog razvoja. Održivi raz-voj pri tome podrazumijeva zadovoljenje potreba trenutnog stanovništva, ali ne na štetu budućih generacija. U smislu održive energetike potrebno je koristiti takve postupke koji neće buduće generacije dovesti u nepovoljniji položaj u odnosu na današnju i to iz ekonomskog, ekološkog i bilo kojeg drugog bitnog gledišta. Osim političkih smjernica nužno je logiku održivog razvoja ugraditi u svakodnevno ponašanje pojedinaca.

Imajući u vidu zadane ciljeve iz Kyotskog protokola i primjenjujući logiku održivog razvoja Eu-ropska Komisija usvojila je 2009. godine klimatsko-energetski paket mjera pod skraćenim na-zivom: ‘20 20 20’. Osnovni ciljevi ovog paketa mjera po kojima je i dobio ime su: 20 posto manje emisija stakleničkih plinova u usporedbi s 1990. godinom; 20 posto udjela obnovljivih izvora energije u ukupnoj energetskoj potrošnji i 20 posto manja potrošnja energije (u odnosu na onu koja se do 2020. očekuje u slučaju neprovođenja posebnih mjera). Ovi ciljevi trebali bi se ost-variti do 2020. godine na razini cijele Europske Unije za zasebnim ciljevima za pojedine zemlje članice. 2014. godine definiran je dodatno i klimatsko- energetski paket mjera za 2030. godinu pod skraćenim nazivom: ‘40 27 27’. Tako su ciljevi ovog paket postroženi u odnosu na paket do 2020. godine što ukazuje na volju i želju EU da bude svjetska predvodnica i ogledni primjer u smanjenju globalnog zagrijavanja i negativnog utjecaja na klimu.

Kako se obnovljivi izvori energije uklapaju u ciljeve suvremene energetike?

Prvi i osnovni razlog orijentiranja energetike prema obnovljivim izvorima energije jest činjenica da su rezerve fosilnih goriva ograničene i iscrpive. S porastom ljudske populacije raste i po-tražnja za fosilnim energentima. Bez obzira hoće li trenutne rezerve trajati još 10 ili 100 godina, iz perspektive održivog razvoja nastavak trenutne razine potrošnje fosilnih goriva nije opravdan.

Većina obnovljivih izvora energije i pripadajuće tehnologije za njihovo iskorištavanje u pravilu rezultira vrlo niskim emisijama stakleničkih plinova. Određene razine emisija pri izgradnji pos-trojenja za iskorištavanje obnovljivih izvora energije su neizbježna kao npr. emisije kod izrade solarnih panela, emisije pridružene izgradnji akumulacije hidroelektrane, ali nakon izgradnje ti izvori proizvode električnu energiju uz minimalne ili nikakve emisije stakleničkih plinova.

Uz navedene prednosti obnovljivih izvora energije moguće je navesti još i: 1) povećanje en-ergetske neovisnosti države ili regije, 2) stabilnosti cijene električne energije, 3) manji lokalni utjecaj na okoliš i zdravlje ljudi u odnosu na fosilna goriva, 4) manji otpor lokalnih zajednica i ekoloških grupa kod izgradnje postrojenja za njihovo iskorištavanje i pretvorbu u usporedbi sa izvorima na fosilnim gorivima.

12


U narednim poglavljima detaljnije će biti obrađeni načini proizvodnje električne energije iz ob-novljivih izvora. Imajući to u vidu, ovdje je potrebno naglasiti da je osnovna mana obnovljivih izvora energije nedovoljna konkurentnost u odnosu na tradicionalne elektrane. Stoga nadležna zakonodavna i regulativna tijela pronalaze načine kojima potiču iskorištavanje obnovljivih izvora energije, odnosno kojima privlače privatne investitore u to područje. Najčešće korišteni načini su zajamčeni otkup kao i zajamčeni iznos otkupne cijene proizvedene električne energije iz ob-novljivih izvora energije.

lk

bkbodvp^sfk d

lc c

13


II. OSNOVE ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVA

Elektroenergetika je stručno i znanstveno područje elektrotehnike, ali i energetike, u kojem se izučavaju i unapređuju područja proizvodnje, prijenosa, razdiobe i uporabe električne energije, kao i problemi gospodarenja električnom energijom.

ELEKTRIČNA ENERGIJA

Kao što je već rečeno, električna energija spada u sekundarne energente. Ona je prijelazni pojavni oblik energije odnosno tranzijent u procesu pretvaranja potencijalne električne energije u neki drugi korisni oblik energije (mehanički rad, svjetlosnu, potencijalnu, kinetičku). Jedno od svojstava električne energije je da ju je moguće u potpunosti pretvoriti u korisne oblike energije (kažemo: električna energija je eksergija). Pretvorba drugih oblika energije u električnu energiju naziva se proizvodnjom električne energije. Pretvorba električne energije u druge korisne oblike energije naziva se potrošnjom električne energije. Pretvorba električne energije u nekorisne oblike energije smatra se gubitcima električne energije.

Budući da je električna energija prijelazni oblik energije ne može se izravno uskladištiti. Elek-trična energija se može indirektno skladištiti pretvorbom električne energije u neki drugi oblik energije (gravitacijska potencijalna, kemijska itd.). U trenucima potrebe uskladištena energije se ponovno pretvara u električnu energiju. Dostupne tehnologije skladištenja od kojih će većina kasnije biti detaljnije opisana su: reverzibilne hidroelektrane, tehnologija skladištenja u baterije, gorivne ćelije, skladištenje komprimiranim zrakom, skladištenje električne energije u obliku ki-netičke energije i dr.

Nemogućnost skladištenja električne energije zahtijeva da se u svakom trenutku proizvodnja električne energije mora prilagoditi potrošnji potrošača električne energije. Posljedica nerav-noteže u sustavu (viška ili manjka električne energije) je raspad sustava. Iz perspektive proiz-vođača električne energije to je izrazito nepovoljan događaj zbog visokih troškova ponovnog pokretanja proizvodnog postrojenja (elektrane) dok su istovremeno potrošači uskraćeni za uslu-gu opskrbe električnom energijom. Svatko je barem jednom u životu doživio nestanak električne energije pa može iz vlastitog iskustva procijeniti kakve posljedice može imati taj događaj, od gubitka trenutnih podatak na računalu pa sve do kvara na nekom od kućanskih uređaja.

Prije detaljnijeg upoznavanja s električnom energijom i elektroenergetskim sustavom, bitno je razumjeti i poznavati temeljne pojmove kao što su napon, struja i otpor. Česta je zabuna koristiti izraz ‘struja’ kao sinonim za električnu energiju. Stoga je potrebno podsjetiti se osnova vezanih uz električnu energiju. U standardnom modelu atom se sastoji od pozitivno nabijene jezgre (pro-toni) oko koje se nalazi negativno nabijeni elektronski oblak s većim ili manjim brojem elektrona. U normalnim okolnostima atom i materija koja je sastavljena od velikog broja atoma su električki neutralni. Tijela postaju električki nabijena kada im se na neki način poremeti ravnoteža naboja, prije svega dodavanjem ili oduzimanjem elektrona. Onaj dio materije kojem su oduzeti elektroni postaje pozitivan, a onaj dio koji je preuzeo te elektrone postaje negativan. Elektrotehnika, pa tako i elektroenergetika, iskorištava činjenicu da se između nabijenih tijela pojavljuje sila. Iznos električne sile između dva električki nabijena tijela proporcionalan je umnošku njihovih elek-tričkih naboja, a obrnuto proporcionalan kvadratu njihove udaljenosti (Coulombov zakon). Sila je općenito vektorska veličina, dakle uz iznos (skalarna veličina) ima i svoj smjer. U kontekstu elek-trične sile poznato je da se istoimeni naboji odbijaju dok se raznoimeni naboji privlače.

Točkasti naboj je zamisao naboja koji je “zgusnut” u nematerijalnoj točki (sličan je pojam točkaste mase). U stvarnosti su naboji konačnih dimenzija. Svakoj točki prostora u okolini takvog naboja pridružene su dvije značajke. Prva je vektor elektrostatskog polja, a druga je skalarna veličina koja se naziva električni potencijal. Sve točke na jednakoj udaljenosti od naboja imaju isti iznos

14


vektora polja i isti iznos potencijala (ekvipotencijalna ploha). Razlika potencijala između dvije točke elektrostatskog polja naziva predstavlja napon koji vlada između te dvije točke. Za napon se uobičajeno koriste oznake V (fazni napon ili) U (linijski napon), a mjerna jedinica za napon je Volt (V).

Zadatak: Koliki je napon između dvije točke koje leže na istoj ekvipotencijalnoj plohi u nekom elektrostatskom polju?

Kada se na krajeve vodiča ili sasvim općenito nekog strujnog kruga narine određeni napon, on će uzrokovati gibanje slobodnih naboja (elektrona). To gibanje nabijenih čestica naziva se električna struja koja se označava s I, a mjeri se u amperima (A). Električni otpor (oznaka R, mjerna veličina ohm, Ω) je svojstvo materijala da se suprotstavlja usmjerenom gibanju slobodnih elektrona. Vodiči imaju veliki broj slobodnih elektrona, a izolatori imaju vrlo mali broj slobodnih elektrona.

Koncept električne energije temeljene na naponu, struji i otporu može biti ponešto kompliciran budući da je niti jednu od navedenih veličina nije moguće vizualizirati. Čak ni vidljiva pojava munje koja je primjer električne energije ne dočarava potpunu pretvorbu energije nego samo interakciju okolnog zraka i energije koja njime prolazi. Kako bi se utvrdili iznosi veličina nužnih za određivanje iznosa električne energije potrebno je koristiti različite mjerne uređaje kao što su ampermetri, voltmetri, multimetri itd. Slijedeći primjer može poslužiti kao određeni vizualni ekviv-alent na temelju kojeg se mogu dočarati napon, struja i otpor.

Na slici je prikazana posuda s vodom.

Na dnu posude nalazi se otvor. Količina vode u posudi ekvivalent je električnom naboju, tlak stupca vode ekvivalent je naponu, a tok vode ekvivalent je toku naboja odnosno električnoj struji. Kad se otvor na dnu posude otvori poteče voda. Slično se dogodi kad se na neki vodič određenog otpora narine napon – krene gibanje elektrona odnosno poteče struja. Usporedimo dvije posude iste zapremine vode, ali s različitim promjerom izlaznog otvora. Tlak koji uzrokuje voda u obje posude je jednak ( jednak napon) ali tok vode iz posude s otvorom manjeg presjeka biti će manji. Kako bi se tok vode iz posude s manjim izlaznim otvorom povećao nužno je povisiti razinu vode u toj posudi. Ekvivalentna pojava u strujnom krugu je veći tok naboja kroz isti vodič (veći iznos struje) uz povećanje napona.

Zadatak: Kojoj veličini u strujnom krugu je ekvivalent presjek izlaznog otvora promatrane po-sude s vodom?

Poveznicu između napona, struje i otpora u nekom strujnom krugu otkrio je Georg Ohm i matem-atički ju definirao slijedećim izrazom:

U I R= ⋅

uz pridržavanje prethodno navedenih oznaka veličina navedenih u izrazu (2.1). Njemu u čast ovaj

15


izraz naziva se Ohmov zakon.

Zadatak: Uz pomoć nastavnika podsjetite se i objasnite Kirchhoff-ove zakone za struju i napon u strujnim krugovima.

Sada se može definirati i izraz za računanje električne energije odnosno rada. Za pomicanje nekog pozitivnog naboja iznosa Q u smjeru suprotnom od smjera električnog polja između dviju točki s razlikom potencijala U, potrebno je uložiti određenu energiju (rad) W, odnosno vrijedi slijedeći izraz:

W U Q= ⋅

Budući da se struja I definira kao količina naboja Q koja prolazi presjekom vodiča u jedinici vre-mena:

QIt

=

izraz 2.2 prelazi u:

Upravo izraz 2.4 daje definira poveznicu između električne energije s jedne i struje i napona s druge strane. Ukoliko poznajemo iznos napona i struje na nekom mjestu potrošnje električne energije možemo izračunati i električnu snagu P prema izrazu:

P U I= ⋅

Električna energija se uobičajeno izražava u kilovat satima (kWh) pri čemu 1 kWh iznosi 3,6 MJ.

Prije detaljnijeg upoznavanja s elektroenergetskim sustavom nužno je ustanoviti razliku između istosmjernih i izmjeničnih električnih sustava. Iako je riječ o sustavima kojima su i napon i struja istosmjerni ili izmjenični uobičajeno se za nazive ovih sustava koriste izrazi istosmjerna struja, DC (eng. Direct Current) i izmjenična struja, AC (eng. Alternating Current).

Istosmjerna struja je zapravo tok ili kretanje električnih naboja (obično elektrona) u samo jednom smjeru. Intenzitet struje može varirati s vremenom, ali opći smjer kretanja ostaje konstantan. Kod izvora DC napona definira se pozitivan (+) i negativan (-) pol, a dogovorni smjer struje u strujnom krugu je od pozitivnog prema negativnom polu izvora.

JESTE LI ZNALI?

Stvarni smjer električne struje, odnosno smjer gibanja elektrona u strujnom krugu je od nega-tivnog prema pozitivnom polu izvora, što je suprotno dogovornom smjeru struje. Razlog tomu je kriva početna pretpostavka da se vodičima gibaju pozitivni naboji.

Istosmjerna struja se proizvodi elektrokemijskim i fotonaponskim ćelijama ili baterijama. Također se može pomoću posebnih pretvaračkih uređaja, ispravljača, izmjenična struja pretvoriti u is-tosmjernu. Istosmjerna struja koristi se u brojnim uređajima u svakodnevnoj upotrebi kao što su računala, mobiteli i električna vozila.

Većina proizvodnih postrojenja električne energije danas se temelji na rotirajućim elektromag-netskim generatorima i proizvode električnu energiju čiji napon i struja periodički mijenjaju po-laritet, odnosno smjer. Stalna promjena polariteta izvora napona uzrokuje dakako i stalnu prom-jenu smjera kretanja elektrona u vodičima. Takvi sustavi se nazivaju sustavima izmjenične struje odnosno napona. Jednostavan način proizvodnje izmjenične struje može se izvesti na slijedeći način. U stalno magnetsko polje umetne se zatvorena vodljiva petlja. Petlja se potom rotira tako da se stalno mijenja iznos ukupnog magnetskog toka koji je zahvaćen petljom.

W U I t= ⋅ ⋅

16


Drugi način je da se u formiranu petlju umeće i potom uklanja permanentni magnet.

Oba načina temelje se na stvaranju napona na kraju petlje koja je izložena promjenjivom mag-netskom polju. Za rotaciju zatvorene petlje (ili pomicanje magneta) mogu se koristiti različiti me-

17


hanički pogoni koji koriste pretvorenu energiju vjetra, vode, fosilnih goriva i dr. Ovakav način proizvodnje izmjenične struje i napona temelji se na zakonu elektromagnetske indukcije kojeg je postavio Michael Faraday 1831. godine. Prema tom zakonu na krajevima zatvorene vodljive petlje, kroz koju prolazi promjenjivi magnetski tok (𝜙), inducira se elektromagnetska sila (elek-tromotorni napon) (𝜀) koja je razmjerna brzini promjene tog toka kao i broju zavoja u petlji (N). Matematički izraz kojim se definira zakon elektromagnetske indukcije je slijedeći:

Ntϕε ∆

= − ⋅∆

JESTE LI ZNALI?

Faradayev zakon elektromagnetske indukcije jedan je od četiriju temeljnih zakona elektromag-netizma koji su iskazani Maxwellovim jednadžbama.

Predznak ‘-’ u izrazu 2.6 proizlazi iz Lentz-ovog pravila koje tvrdi da je inducirana elektromag-netska sila takvog smjera da se struja koju proizvodi protivi promjeni magnetskog toka koji ju je uzrokovao. Postavlja se pitanje kako se struja može protiviti promjeni magnetskog toka? Struja se naime može protiviti promjeni magnetskog toka uslijed pojave da se oko vodiča kojim teče struja stvara magnetsko polje.

Izmjenična struja i napon mogu biti različitih oblika, pravokutni, pilasti i sl. ali najčešće su sinusnog oblika. Bitan parametar izmjeničnih električnih sustava je frekvencija (f) struje odnosno napona, a koja je rezultat kutne brzine (ω) rotirajućih pogonskih strojeva. Pri tome vrijedi:

2 fω π= ⋅ ⋅

Zadatak: Znate li koja je frekvencija struje i napona u našim utičnicama? A koja je frekvencija struje i napona u utičnicama korisnika električne energije u SAD-u?

Izmjenična struja i napon su vektorske veličine čiji se iznos i smjer mijenja po sinusnom zakonu. pri tome napon poprima iznose od –Vmax do +Vmax, a struja od –Imax do +Imax.

U istosmjernim krugovima električni otpor (R) je mjera suprotstavljanja prolasku istosmjerne elek-trične struje kroz strujni krug. Njegov ekvivalent u izmjeničnim krugovima je električna imped-ancija (Z). Impedancija može biti bilo koja kombinacija djelatnog otpora (R) i reaktancije (X) koja može biti induktivna (zavojnica, XL) ili kapacitivna (kondenzator, XC). Stoga se impedancija uobiča-

18


jeno izražava pomoću svoje apsolutne vrijednosti (|Z|) i kuta (φ).

Sada je moguće zapisati vremenski promjenjive izraze za izmjenični napon i struju:

max( ) cos( )v t V tω= ⋅ ⋅ (2.8)

max( ) cos( )i t I tω ϕ= ⋅ ⋅ −. (2.9)

JESTE LI ZNALI?

Zavojnica (induktivitet) u istosmjernim strujnim krugovima ima zanemariv otpor dok kondenzator (kapacitet) u istosmjernim strujnim krugovima predstavlja prekid strujnog kruga.

Zbog uočenih velikih prednosti višefaznog naspram jednofaznog sustava proizvodnje, prijeno-sa i distribucije električne energije, današnja elektroenergetski sustavi se oslanjaju na trofazni simetrični sustav napona i struja. Trofazni sustav zapravo znači da tri neovisna naponska izvora generiraju napone jednakog iznosa i frekvencije koji su međusobno fazno pomaknuti 120° slika.

Na ovaj način se može prenijeti značajno više energije uz manji broj vodiča. Trofazni sustav treba 3 vodiča dok jednofazni treba dva, dakle tri puta više energije uz tek 50 % veći utrošak materi-jala za vodiče. Također trofazni sustav omogućuje konstantnu snagu sve tri faze što nije slučaj kod jednofaznog sustava, a vrlo je povoljna karakteristika pogotovo iz perspektive stabilnosti rada motora jer se smanjuju vibracije. Nadalje iz trofaznog sustava se može jednostavno dobiti jednofazni dok obrnuto nije lako ni brzo izvedivo. Uobičajene oznake faza su R, S, T ili A, B, C ili L1, L2, L3.

19


ELEKTROENERGETSKI SUSTAV

Elektroenergetski sustav je zapravo vrsta umreženog energetskog sustava u kojemu je pojavni oblik energije električna energija, a spada u sekundarne energente. Tehnološki razvoj civilizaci-je prestaje s iscrpljenjem izvora energije, odnosno s prestankom odvijanja pretvorbe energije iz jednog u drugi oblik. Moderna ljudska civilizacija počiva na električnoj energiji i na njezinoj pretvorbi u korisne oblike energije. Iz tog razloga je nezamisliv dugoročni opstanak današnje civilizacije i društva u slučaju trajnog nestanka električne energije, ili drugim riječima prestanka rada elektroenergetskog sustava. Otkrićem električne energije čovječanstvu je omogućeno raspolaganje velikim količinama energije na vrlo jednostavan način. To za posljedicu ima veliko povećanje potrošnje energije, ali i povećano društveno blagostanje.

Brojne su prednosti elektroenergetskog sustava. U pravilu postoje značajne udaljenosti između lokacija proizvodnje električne energije gdje su dostupni energenti i potrošačkih regija električne energije. Elektroenergetski sustav omogućava prijenos električne energije na velike udaljenosti. Udruživanje lokalnih elektroenergetskih sustava u veće regionalne rezultira manjom redundanci-jom proizvodnih postrojenja za proizvodnju električne energije budući da se na taj način sman-juje potrebna rezerva u sustavu. Potrošačima su dostupni brojni alternativni pravci dobave čime se značajno poboljšava pouzdanost opskrbe električne energije. Iz ekonomskog gledišta trošak transporta električne energije je uglavnom niži od troška transporta ostalih energenata.

Elektroenergetski sustav obuhvaća proizvodnju, prijenos i distribuciju te potrošnju električne en-ergije. Sastoji se od postrojenja za proizvodnju električne energije – elektrana, trošila, prijenos-nih i distribucijskih sustava te rasklopnih postrojenja. Svi dijelovi elektroenergetskog sustava trebaju biti dimenzionirani tako da osiguravaju pouzdanu opskrbu potrošača električnom energi-jom određenog napona i frekvencije na kvalitetan i najekonomičniji način. Struktura elektroener-getskog sustava s pripadajućim bitnim aktivnostima prikazana je na slici.

Regulacija rada elektroenergetskog sustava podrazumijeva zakonodavni okvir na osnovu kojeg su uređeni odnosi u elektroenergetskom sustavu. Planiranje, vođenje i upravljanje unutar ovog sustava odvija se jednim dijelom samostalno za svaku pojedinu sastavnicu, odnosno za proiz-vodnju, prijenos i distribuciju električne energije te jednim dijelom koordinirano između pojedinih navedenih sastavnica elektroenergetskog sustava. Za koordinaciju između sastavnica zaduženi su nacionalni dispečerski centri, a u novije doba operatori prijenosnog sustava. Njihova glav-na zadaća je održavati ravnotežu između proizvodnje električne energije i ukupne potrošnje električne energije (gubitci plus potrošnja krajnjih potrošača). Ukoliko postoji višak proizvodn-je frekvencija u sustavu će porasti, odnosno pasti ukoliko manjka proizvodnje. Čak i vrlo mala

20


odstupanja on nazivne frekvencije sustava (50 Hz u Europi, 60 Hz u SAD) može uzrokovati štetu na sinkronim strojevima i drugim uređajima koji su dimenzionirani upravo za tu nazivnu frekvenci-ju. Neki od mehanizama za uravnoteženje elektroenergetskog sustava su: angažiranje elektrana koje trenutno ne rade, gašenje elektrana koje su u pogonu, povećanje/smanjenje izlazne snage elektrana koje su u pogonu, uvoz/izvoz električne energije i dr.

ELEKTRANE

Električna energija proizvodi se u elektranama. Proizvođači električne energije mogu biti elek-troprivredna poduzeća ( javna ili privatna) i nezavisni proizvođači (privatni). Veće elektrane uvijek su priključene na prijenosnu mrežu dok se manje elektrane (do oko 10 MW) mogu priključiti na distribucijsku mrežu. Razlikujemo slijedeće vrste elektrana: termoelektrane (TE), hidroelektrane (HE), nuklearne elektrane (NE), vjetroelektrane, sunčane elektrane, kogeneracijske elektrane, geotermalne elektrane, elektrane na biomasu i bioplin te ostale manje zastupljene tehnologije proizvodnje električne energije (plima i oseka, valovi i sl.). Sve elektrane trebaju određenu ko-ličinu električne energije za pogon vlastitih postrojenja i uređaja. Taj dio potrošnje električne en-ergije naziva se vlastitom potrošnjom elektrana. Izlazna električna snaga generatora, umanjena za snagu potrebnu za vlastite potrebe, isporučuje se u mrežu i naziva se snagom na pragu elek-trane. Danas se elektrane rijetko grade kao izolirana postrojenja u kojima se električna energija proizvodi samo za određene potrošače, npr. neke industrije locirane daleko od postojećih elek-tričnih mreža. Budući da su elektrane dio elektroenergetskog sustava način njihovog rada ovisi o radu drugih elektrana i o ukupnoj potražnji potrošača. Uloga i način rada pojedine elektrane u elektroenergetskom sustavu ovise o sposobnosti elektrane da se prilagodi brzim promjenama opterećenja kao i o ispunjenju zahtjeva da se potrebna električna energija proizvede uz što niže troškove. Uloga elektrana nije unaprijed čvrsto određena. U kišnom razdoblju godine većina hidroelektrana (osim onih s vrlo velikim akumulacijama) rade kao ‘bazne (temeljne) elektrane’, a termoelektrane se što je moguće više koriste kao ‘vršne elektrane’. U sušnom razdoblju je sas-vim obrnuta situacija. U nastavku teksta biti će iznesene osnovne činjenice o termoelektranama i nuklearnim elektranama dok će preostale vrste elektrana (obnovljivi izvori energije) biti kasnije detaljnije opisane u zasebnim poglavljima.

U termoelektranama se vrši pretvorba energije fosilnih goriva kao što su ugljen, nafta, plin ili en-ergije biomase za proizvodnju električne energije. S obzirom da su najzastupljenije elektrane na ugljen i nuklearne elektrane, biti će ukratko opisan princip njihova rada. Osnovni princip rada je sagorijevanje goriva u ložištu za stvaranje vodene pare u kotlu koja pokreće parnu turbinu, te na koncu pokretanje generatora električne energije koji je mehanički vezan na parnu turbinu slika.

21


JESTE LI ZNALI?

Bijeli dim koji izlazi iz velikih betonskih tornjeva u nuklearnim elektranama i koji se često prika-zuje u negativnom kontekstu nije posljedica dimnih plinova nastalih izgaranjem fosilnog goriva nego rezultat isparavanja tijekom procesa hlađenja rashladne vode.

Toplina dobivena izgaranjem ugljena koristi se za grijanje vode u kotlu. Iz kotla izlazi vodena para koja se nakon prolaska kroz parnu turbinu prvo kondenzira pomoću rashladne vode u parnom kondenzatoru, a potom vraća natrag u kotao. Energetska pretvorba primarne energije u elek-tričnu energiju u termoelektranama na ugljen temelji se na Rankine-ovom kružnom procesu.

Prosječna učinkovitost današnjih termoelektrana na ugljen i lož ulje (prerađena nafta) iznosi oko 35%, a termoelektrana na plin oko 45%. Termoelektrane na ugljen zbog svojih karakteristika, rela-tivno niski operativni troškovi (niska cijena ugljena), relativno visoki investicijski troškovi, relativno spora prilagodba snage u usporedbi s plinskim termoelektranama, pokrivaju bazni dio potrošnje, odnosno uglavnom rade kontinuirano na istoj izlaznoj snazi bez obzira na razinu opterećenja sustava. Nasuprot njima plinske termoelektrane imaju izrazitu fleksibilnost u prilagodbi izlazne električne snage, imaju relativno niske investicijske troškove, ali i relativno visoke operativne troškove (visoko cijena plina) pa se stoga uključuju u proizvodnju električne energije u periodima vršnih opterećenja sustava kada su i cijene električne energije veće. Iz navedenih razloga plin-ske elektrane se nazivaju vršnim, a termoelektrane na ugljen baznim elektranama. U posljednje vrijeme nema značajnih investicija u termoelektrane na lož ulje, prije svega zbog značajno veće cijene primarnog energenta u odnosu na ostale termoelektrane. Stoga postojeće termoelek-trane na lož ulje služe uglavnom kao tzv. hladna rezerva u elektroenergetskom sustavu, odnosno pokreću se ukoliko je to stvarno neophodno za održavanje stabilnosti sustava.

Nuklearne elektrane proizvode električnu energiju koristeći isti princip kao kod termoelektrana. Za razliku od termoelektrana u kojima se vrši sagorijevanje fosilnih goriva u nuklearnim elektra-nama se za grijanje vode koristi toplina dobivena iz nuklearnog goriva procesom koji se naziva fisija (razbijanje većih nuklida u manje uz oslobađanje energije). Za razliku od termoelektrana nusprodukt nuklearnih elektrana nisu emisije stakleničkih plinova nego radioaktivni otpad (is-trošeno gorivo u prvom redu) kojeg treba na adekvatan način skladištiti. Prosječna učinkovi-tost današnjih nuklearnih elektrana iznosi oko 35%. Nuklearne elektrane imaju izrazito velike investicijske troškove i relativno male troškove goriva. U usporedbi sa s svim ostalim vrstama elektrana kod nuklearnih elektrana se ulaže najviše napora i troškova u sigurnosne sustave koji su često i višestruki (u slučaju otkazivanja jednog sustava zaštite postoji jedan ili više pričuvnih sigurnosnih sustava). Zbog svojih tehnoloških izvedbi većina nuklearnih elektrana nije sklona čestim i značajnim promjenama snage te stoga one redovito pokrivaju bazni dio potrošnje i uo-bičajeno se gase tek za potrebe remonata ili u slučaju određenih kvarova (pokretanje nuklearne elektrane je dugotrajan i skup proces).

POTROŠNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE

Već je naglašeno kako se današnja civilizacija uglavnom temelji na dobrobitima korištenja elek-trične energije. Stoga je potreba za električnom energijom vrlo visoko na ljestvici prioriteta da-našnjeg čovjeka koji se ne osjeća lagodno u trenucima kada mu nije dostupna električne energi-ja. Vjerojatno su se u dalekoj prošlosti naši preci osjećali jednako neugodno u nedostatku vatre.

JESTE LI ZNALI?

Prema nekim procjenama trošak uzrokovan neisporučenom električnom energijom doseže vri-jednosti od nekoliko desetaka tisuća €/MWh. Usporedbe radi, danas cijene električne energije na burzama rijetko prelaze 50 €/MWh.

Trošak neisporučene električne energije (eng. Value of Lost Load, VoLL) razlikuje se među sek-torima potrošnje. Tako je one značajno veći u sektorima industrije i uslužnih djelatnosti nego u sektoru domaćinstava. Isto tako dugotrajniji i regionalno opsežniji nestanci električne energije uzrokuju značajno veće troškove od onih kratkotrajnih i lokaliziranih poremećaja u mreži.

22


Potrošnju električne energije nije moguće točno predvidjeti budući da je ona vrlo promjenjiva kako iz vremenske tako i iz prostorne (geografske) perspektive. Razlozi promjenjivosti potrošnje električne energije su brojni, a neki uobičajeni su: različiti karakter potrošača (industrija, usluge, kućanstva i dr.); uključenje/isključenje trošila pojedinih potrošača; promjene parametara okoline (temperatura i sl.); radni/neradni dan; rutina (svakodnevne obaveze) i specifični događaji (velika sportska natjecanja i sl.) i dr. Ipak potrošnja električne energije pokazuje određene periodičke pravilnosti pa ju je moguće barem grubo predvidjeti.

Kategorije krajnjih potrošača električne energije mogu se ugrubo podijeliti na: industriju, usluge, rasvjetu i kućanstva. Potrošači se mogu priključiti na mrežu na različitim naponskim razinama: visoki napon (VN), srednji napon (SN) ili niski napon (NN). Industrijski potrošači se uobičajeno priključuju na visokim ili srednjem naponu dok se recimo kućanstva redovito priključuju na nis-kom naponu.

Zadatak: Znate li koja je linijska, a koja fazna vrijednost napona u vašim kućnim priključnicama?

Od ostalih potrošača električne energije (koji nisu krajnji potrošači) već su spomenute elektrane sa svojom vlastitom potrošnjom. Tu je također potrebno nadodati vlastitu potrošnju rasklopnih postrojenja, gubitke u prijenosu i distribuciji kao i potrošnju reverzibilnih elektrana (o kojima će kasnije biti više riječ) koje troše električnu energiju za pumpanje vode iz niže u višu akumulaciju. U novije doba sve više se koriste i tzv. akumulatori toplinske energije koji jeftinu električnu en-ergiju koriste za proizvodnju tople vode i pare koje koriste poslije po potrebi.

Za analizu karakteristika potrošnje električne energije nekog područja vrlo je koristan dnevni dijagram opterećenja slika.

Sa dijagrama je moguće očitati nekoliko karakterističnih veličina. Prije svega može se očitati po-trebna minimalna (Pmin) i maksimalna (Pmax) angažirana snaga elektrana tog dana. Nadalje može se odrediti tzv. faktor opterećenja (m) koji definira omjer između ukupne potrošene električne energije (Wuk) i one količine električne energije koju bi proizvela snaga Pmax tijekom cijelog dana.

max24ukWmP

=⋅

Faktor iz izraza 2.10 zapravo definira razinu varijabilnosti dnevnog dijagrama opterećenja. Što je taj faktor bliži 1 to je potrošnja električne energije tijekom dana ravnomjernija i konstantnija. Težnja je što je moguće više ‘ispeglati’ dnevni dijagram opterećenja, odnosno približiti faktor m što je moguće bliže vrijednosti 1. Na ovaj način povećala bi se ekonomičnost sustava.

U dijagramu opterećenja također je moguće razlikovati konstantnu (Wk) i varijabilnu (Wv) elek-

23


tričnu energiju. Pri tome vrijedi:

min24kW P= ⋅ (2.11)

v uk kW W W= − (2.12)

Elektrane koje se nazivaju baznim ili temeljnim uglavnom pokrivaju konstantnu, dok su vršne elektrane zadužene za pokrivanje varijabilne električne energije.

PRIJENOS I DISTRIBUCIJA ELEKTRIČNE ENERGIJE

Prijenos električne energije predstavlja transport velikih količina električne energije od centara proizvodnje (elektrana) do centara potrošnje (mjesta, gradova, regija). Zbog smanjenja gubitaka odvija se na visokom naponu (110, 220 i 400 kV). Prijenos električne energije odvija se uobičaje-no na velike udaljenosti (nekoliko stotina km) i to pomoću nadzemnih vodova.

JESTE LI ZNALI?

Električna struja je parametar električne energije zadužen za stvaranje toplinskih učinaka u vodičima. Budući da je svaka nepotrebno stvorena toplina gubitaka energije, teži se smanjenju iznosa struje električne energije koja se prenosi. Budući da je snaga (i energija) jednaka um-nošku struje i napona, jednaku energiju moguće je prenijeti s nižim iznosom struje jedino ako se poveća iznos napona.

Distribucija električne energije predstavlja razdiobu električne energije unutar centara potrošnje (mjesta, gradova, regija,) prema krajnjim potrošačima (trošila). Odvija se na srednjem (35, 20, 10 kV) i niskom (0,4 kV) naponu. Distribucija električne energije može se izvesti nadzemnim vodovi-ma ali i podzemnim kabelima.

Mjesta u elektroenergetskom sustavu u kojima se susreće više prijenosnih/distribucijskih i vrši transformacija naponskih razina nazivaju se rasklopnim postrojenjima. Ova postrojenja uobiča-jeno sadrže prekidače, rastavljače, transformatore, sabirnice, zaštitu. Ukoliko u rasklopnim pos-trojenjima dolazi do promjene naponske razine tada je riječ o transformatorskim stanicama, a ukoliko se u njima vrši samo pregrupiranje vodova iste naponske razine riječ je o rasklopištima.

Jednostavni shematski prikaz elektroenergetskog sustava prikazan je na slici.

24


KRATKA POVIJEST ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVA

Razvoj suvremenog elektroenergetskog sustava kakav je danas trajao je nekoliko stoljeća. Do 19. stoljeća znanstvenici kao što su William Gilbert, C. A. de Coulomb, Luigi Galvani, Benjamin Franklin, Alessandro Volta i mnogi drugi razvijali su znanstvenu podlogu elektromagnetskih prin-cipa ali niti jedan nije ta dostignuća realizirao nekim upotrebljivim uređajem, drugim riječima vodila ih je isključivo znatiželja vlastitog intelekta.

Početkom 19. stoljeća u Europi i Sjevernoj Americi osnivaju se prve tvrtke koje se bave prirodnim plinom. Otprilike u isto vrijeme istraživanja znanstvenika kao što su Sir Humphrey Davy, Andre Ampere, George Ohm i Karl Gauss dala su nagoviještaj neslućenih mogućnosti koje se mogu ostvariti upotrebom električne energije i tako potaknula interes šire znanstvene zajednice za daljnja istraživanju u području praktične primjene električne energije.

Moderna elektroenergetika i modreni svijet mogu uvelike biti zahvalni otkrićima Engleza, Mi-chael-a Faraday-a koji je definirao zakon elektromagnetske indukcije na temelju kojeg je izradio i uređaje za proizvodnju električnog napona početkom 19. stoljeća. Otprilike u isto vrijeme u SAD inženjer Joseph Henry neovisno o Faraday-u radi na principu elektromagnetske indukcije što primjenjuje za izradu elektromagneta i telegrafa. U desetljećima koja su slijedila brojni inženjeri kao npr. Charles Wheatstone, Alfred Varley, braća Siemens Werner i Carl i drugi izrađuju primi-tivne generatore koji se temelje na principu elektromagnetske indukcije. Do sredine 19. stoljeća za potrebe rasvjete korišten je petrolej i plin, a tada je otkrivena pojava električnog luka između dvije elektrode kojima teče struja. Time je započeo komercijalni razvoj rasvjetnih tijela koje st-varaju svjetlost pomoću električnog luka. Ovakvi uređaji su se zbog vrlo velikog intenziteta svjet-losti koristili samo za potrebe javne rasvjete.

JESTE LI ZNALI?

Prije upotrebe petroleja i plina za sustave rasvjete koristilo se ulje kitova.

Istraživači su također otkrili da se određeni vodiči kojima protječe struja mogu zagrijati do točke usijanja, što je otvorilo nove mogućnosti za stvaranje svjetlosnih izvora. Veliki problem je bio nemogućnost korištenja tog svojstva u praktične svrhe budući da su se materijali brzo rastalili uslijed velike topline. Thomas Alva Edison dizajnirao je prvu žarulju sa žarnom niti od ugljika i testirao je. Taj test smatra se uspješno završenim budući da je žarulja svijetlila 44 sata. Ugljična nit se proizvodila na različite načine, od pamuka i drveta do konca i papira, a smještala se u stakleni balon s vakuumom. Početkom 20. stoljeća žarulje sa žarnom niti od volframa predstavljaju novu revoluciju u žaruljama sa žarnom niti, a jedan od nosilaca patenta za tu žarulju je Hrvat Franjo Hanaman.

Može se postaviti pitanje zašto se tolika važnost pridaje električnoj rasvjeti, a ne nekom drugom sustavu koji danas troši električnu energiju. Razlog timu je što je cilj izgradnje prvih elektrana i elektroenergetskih kompanija bio zadovoljenje potreba električne energije koja se ispočetka koristila isključivo za sustave rasvjete. S vremenom je uočeno da na ovaj način proizvodni po-tencijal elektrana nije dovoljno iskorišten budući da preko dana nema potrebe za rasvjetom. Stoga su dodatni napori uloženi u pronalaženje novih korisnih načina upotrebe električne en-ergije. Tako su se ubrzo razvili i komercijalno dostupni električni motori što zapravo i predstavlja početak ere korištenja električne energije.

Nakon što je razvio prvu komercijalno upotrebljivu žarulju sa žarnom niti Edison je započeo s razvojem sustava za proizvodnju i distribuciju električne energije kako bi većem broju ljudi omogućio korištenje novog izvora svjetlosti. Edisonov koncept proizvodnje električne energije zasniva se na istosmjernoj struji. Prvu elektranu, Pearl Street u New York-u Edison pokreće 1882. godine. Ubrzo mu se priključuje Nikola Tesla i pomaže mu u usavršavanju istosmjernih generato-ra ali istovremeno ga pokušava uvjeriti da je izmjenični sustav mnogo efikasniji od izmjeničnog. Osnovna mana istosmjernog sustava električne energije jest komplicirana transformacija napon-skih razina što dovodi do velikih gubitaka električne energije, odnosno nemogućnosti njezinog transporta na veće udaljenosti. Uslijed međusobnih neslaganja Tesla napušta Edisona i izrađuje

25


brojne patente koji se zasnivaju na izmjeničnoj struji. Ubrzo prodaje svoje patente industrijalcu George-u Westinghouse-u, čija tvrtka Westinghouse Electric Company ubrzo postaje suparnik Edisonu. Ovime započinje tzv. rat dviju struja (AC i DC).

Edison je uvidio da se izmjeničnim sustavom električna energija može znatno ekonomičnije prenositi na značajne udaljenosti i shvatio da bi mogao izgubiti bitku. Stoga je na razne načine pokušao diskreditirati Teslu i izmjenični sustav koji on promovira. Ipak u svojoj namjeri ne uspije-va budući Westinghouse pobjeđuje na natječaju za opskrbom električne energije Svjetskog sa-jma u Chichago-u 1893. godine. Sljedeća značajna pobjeda izmjenične struje nad istosmjernom jest povjera izgradnje hidroelektrane na slapovima Niagara 1896. godine Westinghouse-u što se i smatra krajem rata dviju struja. Ova elektrana je isporučivala električnu energiju u Buffalo koji je od nje udaljen oko 40 km.

JESTE LI ZNALI?

Prvi kompletni elektroenergetski sustav u svijetu izgrađen je u Hrvatskoj. Izgrađen je 1895. go-dine između hidroelektrane Jaruga na Krki i grada Šibenika. Proizvedeni napon iznosio je 3 kV i potom je doveden preko 11 km prijenosnih vodova do Šibenika, transformiran na razinu 110 V te korišten za opskrbu javne rasvjete.

Od tada, pa sve do današnjih dana elektroenergetski sustavi širom svijeta temelje se na tro-faznom izmjeničnom sustavu struja i napona. Eelektrična energija tako je postala dostupna sve većem broju ljudi, generatori u elektranama postajali su sve veći kao i iznosi napona prijenosnih vodova. Moderni elektroenergetski sustavi sastoje se od stotina elektrana i tisuća rasklopnih postrojenja umreženih ogromnim prijenosnim i distribucijskim mrežama.

U novije doba procesi liberalizacije dotaknuli su i elektroenergetski sustav. Tako je električna energija postala dobro kojim se trguje na burzama, a privatnici mogu investirati u proizvodna postrojenja pa velike elektroenergetske kompanije nisu više jedini subjektni u elektroenergets-kom sektoru. Potrošačima je postao dostupan veći broj opskrbljivača koji nude različite usluge. Može se dakle reći da su proizvodnja i opskrba električne energije postale tržišne djelatnosti.

26


Za razliku od njih prijenos i distribucija koji su prirodni monopoli ne omogućavaju povećanje konkurentnosti stoga su nadzirana i regulirana od strane raznih nadzornih i regulatornih tijela koja su najčešće pod državnim nadzorom.

Zahvaljujući navedenim promjenama u elektroenergetskom sustavu, povećanju svjesnosti o globalnom zagrijavanju kao i neodrživosti tradicionalne elektroenergetike obnovljivi izvori en-ergije dobivaju sve veću pažnju i postaju sve zastupljeniji u energetici, a posebice u elektroener-getici. Politički i zakonodavni okvir omogućio je stvaranje takvog ekonomsko-političkog okružen-ja u kojem je privatnim investitorima postalo atraktivno ulagati u elektrane koje koriste obnovljive izvore energije o kojima će biti više riječi u narednim poglavljima.

27


III. HIDROELEKTRANEHidroelektrane su elektroenergetska postrojenja u kojima se energija vode pomoću vodne tur-bine pretvara u mehaničku energiju, koja se u električnom generatoru koristi za proizvodnju električne energije. Osnovni princip korištenja snage i energije vode jest umjetnim građevinama prirodni rad vode preusmjeriti i iskoristiti za proizvodnju električne energije. To se postiže kon-centracijom pada na što kraćoj dionici i smanjivanjem prirodnog otpora vodotoka izgradnjom umjetnih kanala ili cjevovoda (derivacija) manjeg otpora. Prije detaljnijeg upoznavanja s radom hidroelektrana dan je kratki povijesni pregled korištenja energije vode i razvoja tehnologije pret-vorbe energije vode u električnu energiju koji se koristi u hidroelektranama.

POVIJEST KORIŠTENJA ENERGIJE VODE

Voda je sastavni dio svih živih bića i zasigurno jedna od materija bez koje život na Zemlji ne bio moguć. No osim za egzistencijalne svrhe čovjek je prilično rano započeo koristiti vodu kao pogonsko sredstvo ispočetka primitivnih, a kasnije sve impresivnijih naprava. Energetsko isko-rištavanje vode započinje u doba stare Grčke i Rima. U to vrijeme koristišteni su vertikalna vodna kola koja je pokretao tok rijeke ili potoka, a koristila su se za mljevenje žita i kukuruza u tadašnjim mlinovima. U Kini se energija vode također koristila vrlo rano, negdje početkom nove ere. Vodna kola u Kini najčešće su bila horizontalne izvedbe iako su Kinezi poznavali i vertikalnu izvedbu vodnog kola. Osim za mljevenje žitarica i ljuštenje riže, energija vode u Kini je korištena i za li-jevanje željeza (za upuhivanje dodatnih količina zraka) te za drobljenje ruda. Nakon 13. stoljeća započeo je prijenos znanja i tehnolologije vezane uz vodno kolo iz Kine prema Europi. Zbog sve veće primjene vodenog kola uslijedio je njegov daljnji razvoj koji je doveo do otkrića vodne turbine koja ga je u 19. stoljeću gotovo u potpunosti zamijenila. Za razvoj današnjih suvremenih hidroelektrana uz otkriće i daljnji razvoj vodnih turbina podjednako je bitno i razvijanje znanja i tehnologija obuzdavanja i usmjeravnja tokova vode, a posebice skladištenja vode u što nepro-pusnijim bazenima – akumulacijama vode. Za ove potrebe nužni su nasipi te ustave ili brane. Izgradnjom brana stvara se umjetno (akumulacijsko jezero) ili retencija (privremeno zadržavanje vode), kojemu su uz upotrebu vode u hidroelektranama namjene i upravljanje (regulacija) vod-nog toka radi učinkovitije obrane od poplava, korištenja vode za vodoopskrbu, navodnjavanje, plovidbu i rekreaciju. Za igradnju brana ispočetka su korišteni zemlja i kamen dok se u današnje vrijeme zbog bolje nepropusnosti i stabilnosti koriste cigle i beton. Ispočetka je većina brana bila ravne izvedbe (gravitacijske brane), a nakon otkrića zakrivljenih brana (lučne brane) njihovo korištenje je u značajnom porastu.

Prve izgrađene hidroelektrane su pomoću dinamo generatora proizvodile istosmjernu električnu energiju za potrebe rasvjete. Najranija hidroelektrana takve izvedbe izgrađena je 1870. godine u mjestu Cragside, Engleska. Slijedila ju je hidroelektrana u gornjoj Bavarskoj 1876. godine koja je služila za rasvjetu spilje pokraj dvorca Linderhof. Edison je 1882. godine je izgradio i u rad pustio prva hidroelektranu u SAD-u i to na rijeci Fox u Appletonu, Wisconsin. Od tada slijedi uzlet izgrad-nje hidroelektrana što se najbolje očitava iz činjenice da ih je 1889. bilo već preko stotinu samo na području sjeverne Amerike. Prva elektrana na svijetu koja je proizvodila izmjeničnu električnu energiju bila je hidroelektrana snage 250 kW izgrađena 1983. (Redlands hidroelektrana) koja je koristila tok rijeke Mill Creek. Godine 1895. na slapovima Niagara Westinghouse i Tesla grade hidroelektranu s izmjeničnim generatorima ukupne snage 37 MW.

Prva hidroelektrana u Hrvatskoj (Krka, kasnije nazvana Jaruga 1) izgrađena je također prilično rano, 1895. godine na rijeci Krki kraj Šibenika i imala je snagu od 600 kW. Slijedila ju je hidro-elektrana Jaruga 2 snage 6 MW koja je 1903. godine izgrađena na istoj rijeci i puštena u pogon te radi do danas. S daljnjim razvojem električnih generatora, dodatnim usavršavanjem vodnih turbina te značajanim porastom potražnje za električnom energijom stvoreni su savršeni uvjeti za sterlovit rast instaliranog kapaciteta za proizvodnju električne energije iz hidroelektrana. Za primjer, pčetkom 20. stoljeća više od 40 % potrošnje električne energije u SAD pokrivale su hidroelektrane. Današnje hidroelektrane imaju instalirane snage od nekoliko vata pa sve do ne-koliko GW. U razvijenim zemljama dostupne lokacije za iskorištavanje vode u energetske svrhe

28


i izgradnju hidroelektrana su uglavnom već iskorištene. Stoga u većini zemalja danas nema više puno mjesta za značajno povećanje instalirane snage osim kroz izgradnju malih hidroelektrana.

JESTE LI ZNALI?

Trenutno najveće hidroelektrane na svijetu, Itaipu u Brazilu snage 14 GW i Three Gorges u Kini snage 22,4 GW, proizvode godišnje između 80 i 100 TWh električne energije što je 5 do 6 puta veći iznos od trenutne ukupne godišnje potrošnje električne energije u Hrvatskoj.

TRENUTNO STANJE

Hidroelektrane danas predstavljaju nazastupljeniji oblik proizvodnje električne energije iz ob-novljivih izvora energije. u 2015. godini u svijetu je proizvedeno nešto manje od 24.000 TWh električne energije, od toga iz obnovljivih izvora energije oko 23,7 % Samo u hidroelktranama je iste godine proizvedeno 16,6 % ukupne svjetske električne energije što znači da na hidro-elektrane otpada oko 70% ukupne proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora. Ukupni instalirani kapacitet u svim hidroelektranama na svijetu iznosi oko 1209 GW. Od tog iznosa 154 GW otpada na reverzibilne hidroelektrane (o kojima će biti riječi u kasnijem poglavlju) što znači da ukupni kapacitet hidroelektrana u pravom smislu riječi iznosi oko 1065 GW. Gotovo trećina tog iznosa instalirana je u Kini, a slijede ju Brazil, Kanada i SAD. Popis zemalja sa najvećim instaliranim kapacitetom u hidroelektranama nalazi se u tablici

Zemlja Instalirani kapacitet (GW)Kina 298Brazil 92

Kanada 79SAD 71

Rusija 50Indija 42

Norveška 30Turska 26Japan 22

Francuska 18Svijet 1065

Najveći svjetski proizvođač električne energije iz hidroelektrana trenutno ima 4 hidroelektrane među 10 najvećih hidroelektrana na svijetu. Slijedi popis tih 10 hidroelektrana:

1. Three Gorges, Kina: 22,50 GW, Yangtze rijeka.

2. Itaipu, Brazil i Paragvaj: 14,00 GW, Parana rijeka.

3. Xiluodu, Kina: 13,90 GW, Jinsha rijeka.

4. Guri, Venezuela: 10,20 GW, Caroni rijeka.

5. Tucuruí, Brazil: 8,37 GW, lower Tocantins rijeka.

6. Grand Coulee, SAD: 6,81 GW, Columbia rijeka.

7. Xiangjiaba, Kina: 6,45 GW, Jinsha rijeka.

8. Longtan, Kina: 6,43 GW, Hongshui Riv rijeka er.

9. Sayano-Shushenskaya, Rusija:6,40 GW, Yenisei rijeka.

10. Krasnoyarsk, Rusija: 6,00 GW, Yenisei rijeka.

29


Neke zemlje se posebno oslanjaju na električnu energiju iz hidroelektrana prije svega zahvalju-jući povoljnim prirodnim i geografskim obilježjima. Tako je npr. Norveška gotovo 100% ovisna o hidroelektranama. Popis zemalja koje se znatno oslanjaju na hidroelektrane nalazi se u tablici.

Zemlja Udio hidroelektrana u ukupnoj proizodnji električne energije (%)

Norveška 99

Brazil 84

Venezuela 74

Kanada 59

Švedska 49

World 17

U Hrvatskoj instalirana snaga svih hidroelektrana čini više od polovice ukupnog instaliranog kapaciteta u hrvatskom elektroenergetskom sustavu. Ukupna instalirana snaga svih hidroelek-trana u Republici Hrvatskoj iznosi oko 2100 MW, što je oko 55% ukupne snage svih elektrana na području Republike Hrvatske što ju svrstava među vodeće zemlje u proizvodnji energije iz obnovljivih izvora kako u europskim tako i u svjetskim razmjerima.

Udio proizvedene električne enrgije iz hidroelktrana u ukupnoj godišnjoj proizvodnji električne energije u Hrvatskoj varira ovisno o hidrološkoj godini između 25 i 45 %. U Hrvatskoj je u pogo-nu 26 hidroelektrana raspona snage od nekoliko stotina kW pa sve do nekoliko stotina MW. Najveća hidroelektrana u Hrvatskoj je HE Zakučac snage 522 MW. Na slici je prikazan prostorni raspored hidroelektrana u Hrvatskoj.

30


HIDROELEKTRANE KAO OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE

Zašto se hidroelektrane ubrajaju u obnovljive izvore energije? U pravilnicima i ostaloj zakonskoj dokumentaciji često se definira gornja granica instalirane snage hidroelektrane pri kojoj se one još uvijek ubrajaju u obnovljive izvore energije. Razlog tomu su sustavi poticaja proizvodnje elek-trične energije iz obnovljih izvora koji se ne odnose na velike hidroelektrane nego tek na one manje, čija zastupljenost nije velika pa stoga i proizvodna tehnologija nije dovoljno konkurenta. U Hrvatskoj je ta granica važećom regulativom i sustavima potivanja postavljena na 10 MW. Ipak sve hidroelektrane bez obzira na veličinu spadaju u obnovljive izvore energije.

Voda je konstantnom kretanju u globalnom ciklusu koji kreće isparavanjem s vodenih površina jezera, rijeka i oceana, a isparena voda diže se prema atmosferi. Tada dolazi do formiranja obori-na bilo u obliku kiše ili snijega koje se ponovno vraćaju na površinu Zemlje. Osnovna pokretačka energija ovog ciklus je energija Sunca. U hidroelektranama voda je zapravo pokretačko ‘gorivo’ ali nakon prolaska kroz hidroelektrane njezina količina ostala je nepromjenjena. Upravo zbog navedenih činjenica hidroelektrane se smatraju obnovljivim izvorima energije. Osnova proizvod-nje električne enrgije jest iskorištavanje energije vode koja se kreće nizvodno, od većih nadmos-rkih visina prema nižim, a Sunce u cijelom ciklusu ima zapravo ulogu pumpe.

Hidroelektrane pri proizvodnji električne energije ne proizvode emisije stakleničkih plinova. S druge pak strane izgradnja nužnih objekata za optimalan rad hidroelektrane može imati određe-ni utjecaj na okoliš, posebice izgradnja velikih akumulacija kojima se uvelike promijeni mikro klima pojedine regije.

Hidroelektrane su ujedno i vrlo ekonomični izvori električne energije. Iako iziskuju značajne in-vesticijske troškove, jednom izgrađene hidroelektrane mogu proizvoditi električnu energiju i do stotinu godina. Izvor energije, voda, ima zanemarive troškove pa se proizvodni troškovi hidro-elektrana svode zapravo na troškove održavanja opreme u radnom stanju.

Tehnologija potrebna za pretvorbu vode vrlo je razvijena i učinkovita što doprinosi ekonomičnosti hidroelektrana. Ipak, kako je već rečeno, potencijal za izgradnju velikih hidroelektrana u razvijen-im zemljama gotovo je u cijelosti iskorišten što je usporilo porast instaliranog kapaciteta. U ner-azvijenim zemljama Afrike, Azije i Južne Amerike postoje značajni neiskorišteni vodni potencijali.

PRINCIP RADA HIDROELEKTRANA

Od izgradnje prvih hidroelektrana do današnjih dana njihove sastavne komponente se kon-stantno usavršavaju ali osnovni princip pretvorbe energije vode u električnu energiju ostao je isti. Izgradnjom brane stvara se umjetna akumulacija vode, različite zapremine, iz koje se prema vodnim turbinama usmjerava kontrolirani tok vode. Izlaznom snagom hidroelektrana upravlja se ventilima ili turbinskim otvorom kojima se žečljena količina vode usmjerava prema vodnoj turbini.

Vodne turbine su direktno mehanički spojene osovinom s generatorom električne energije - hi-drogeneratorom. Tako je dakle proizvodnja električne energije pretvorba potencijalne i kinetičke energije vode u mehaničku energiju pomoću vodne turbine. Ta mehanička energija pretvara se u rotacijsku energiju osovine i prenosi se na rotor hidrogeneratora u kojem se na koncu pretvara u električnu energiju.

Velike hidrogeneratori se uglavnom izvode u vertikalnoj izvedbi osovine zbog ekonomičnije iz-vedbe hidrauličkog dijela elektrane. Hidrogeneratori s horizontalnom osovinom susreću se u hidroelektranama manje snage.

Zbog lakšeg razumjevanja teksta koji slijedi potrebno je prvo navesti i pojasniti osnovne dijelove hidroelektrane. Osnovni dijelovi hidroelektrane prikazani su na slici.

31


Hidroelektrana kao cjelina se sastoji od hidrauličkog i elekričnog sustava. Hidraulički sustav se sastoji od više povezanih dijelova i može se reći da završava vodnom turbinom.

Brane ili pregrade imaju višestruku namjenu. One služe za skretanje vode s njezinoga prirodnog toka i usmjeravanje prema zahvatu hidroelektrane kao i za povišenje razine vode radi postizanja boljeg pada vode. Jasno je dakle da bez dobro izvedenih brana ne bi bilo moguće usmjeriti vodu u željenom smjeru niti ju akumulirati za korištenje u hidroelektranama. Velike se hidroelektrane uglavnom opskrbljuju vodom iz akumulacijskih jezera.

Sastavni su dijelovi pregrade (brane): tijelo pregrade i elementi za regulaciju vodenog tijeka (preljevi, ispusti, preljevna polja (zapornice) i temeljni ispust). Dva su osnovna tipa brana - niske i visoke. Visoke su brane one čija je visina, od temelja do krune (vrha brane), veća od 15 m, te brane više od 10 m, ali s krunom duljom od 500 m. Sve ostale brane su niske. Odluka o tome koja će se vrsta brana graditi ovisi o geološkom sastavu terena i o veličini brane. Brane mogu biti masivne i nasute, ovisno o materijalu od kojega se grade. Masivne brane grade se od kamena, a češće od armiranog betona.

Prema konstrukciji, masivne se brane mogu podijeliti na gravitacijske slika, lučne slika i raščlan-jene. Gravitacijske brane odupiru se opterećenju vode i drugim silama vlastitom težinom. Lučne brane su zakrivljene ploče preko kojih se opterećenje dijeli na temelje, dno i bokove. Raščlan-jene brane čini više elemenata, odnosno stupova ili potpora na koje se naslanjaju betonske ploče ili svodovi.

Vodu koja je zaustavljena branom upućuje se prema hidroelektrani pomoću zahvata vode koji može biti površinski ili zahvat ispod površine. Zahvat na površini vode izvodi se kod niskih bra-

32


na kada je razina vode koju drži brana uglavnom konstantna. Zahvat na najnižoj mogućoj razini ispod površine vode do koje će se spuštati voda, izvodi se kada se razina (zapremina) vode tijekom vremena značajno mijenja (npr. akumuliranje vode u kišnom i njezino iskorištavanje u sušnom razdoblju). Zahvat vode je najviša točka hidrauličkog sustava hidroelektrane pomoću kojeg se dakle voda iz svog prirodnog toka ili umjetne akumulacije upućuje prema sustavu cje-vovoda kako bi na kraju stigla do turbine. Zadaće zahvata su osiguravanje ravnomjernog dotoka vode bez sadržaja zraka te uklanjanje prljavštine i drugih materijala. Prolaz vode kroz zahvat regulira se zapornicama..

Nakon zahvata voda se dovodom spaja s vodnom komorom. Dovod može biti izgrađen kao otvoreni (kanal) ili zatvoreni (tunel). Profil otvorenih dovoda može biti u obliku trapeza, pravokut-nika, trokuta ili polukruga. Materijal od kojega je izrađen kanal, kao i čistoća kanala i njegov oblik utječu na protok vode dovodom. Zatvoreni dovod može biti izveden kao gravitacijski ili tlačni. U gravitacijskim tunelima voda ne ispunjava cijeli tunel, pa se protok regulira na zahvatu. s druge pak strane u tlačnim tunelima voda ispunjava cijeli poprečni presjek, stoga za promjenu protoka nije nužno upravljati zahvatom vode. Stoga se hidroelektrane s tlačnim tunelom puno elastičnije u pogonu jer mogu bez ikakvih djelovanja slijediti promjene opterećenja jer se opterećenje mi-jenja mijenjanjem otvora ispred turbine.

S ciljem smanjenja nepovoljnog djelovanja tromosti vode, kao i izbjegavanja posljedica vodnog udara, na kraju dovoda, a u blizini vodne turbine gradi se vodna komora (vodostan). Dimenzi-oniranje vodne komore ima vrlo bitan utjecaj na pravilno funkcioniranje hidroelektrane. Vodna komora služi za regulaciju prilikom promjene opterećenja. U slučaju kada je dovod gravitacijski tunel vodena komora mora imati odgovarajući volumen zbog pohrane veće količine vode, a kada je dovod tlačni tunel dimenzije komore moraju biti moraju spriječiti porast tlaka u cjevovo-du preko dopuštene granice. Vodna komora dakle sprječava porast tlaka u dovodu pri njegovu zatvaranju kada dolazi do vodenog udara. U slučaju naglog smanjenja izlazne snage hidroelek-trane nužno je smanjiti otvor turbinskih zatvarača kako bi se protok vode prilagodio novonastalim uvjetima. No voda je već na svom putu prema turbini, te se dio vode zbog zatvaranja turbinskih zatvarača mora vratiti nazad, prema dovodu pri čemu vodna komora ponovno služi za sprječa-vanje vodnog udara. S druge pak strane ponekad je potrebno povećati snagu hidroelektrane odnosno povećati otvor turbinskih zatvarača zbog potrebe za većim protokom. U slučaju du-gačkih dovoda potrebno je određeno vrijeme (zbog tromosti vode) da se cijela masa vode od akumulacije do turbine ubrza. Stoga u ovakvim situacijama vodna komora pomaže dodavanjem potrebne količine vode i tako ublažava prijelazne pojave dok voda u dovodu ne postigne željeni protok. Vodna komora dakle uvelike povećava fleksibilnost hidrauličkog sustava hidroelektrane u pogledu promjene tlaka, sprječavanja vodnih udara i prilagodbe protoka vode potrebnoj izlaz-noj snazi hidroelektrane.

Na ulazu u tlačni cjevovod, nalazi se zaporni uređaj koji automatski sprječava daljnji dotok vode u tlačni cjevovod ako pukne cijev. Ispred glavnog zapornog uređaja redovito se postavlja i po-moćni, koji omogućava bilo kakve radove na glavnom bez potrebe za pražnjenjem sustava. Zaporni uređaji postavljaju se i na kraj tlačnog cjevododa (predturbinski zaporni uređaji, turbinski zatvarači), a njihov broj ovisi o broju turbina koje su spojene na jedan cjevovod. Tlačni cjevodod usmjerava energiju vode prema turbinama, a njegov promjer, dužina, građevni materijal i način postavljanja utječu na gubitke pada vode odnosno na učinkovitost hidroelektrane.

U vodnim turbinama energija vode se pretvara u mehaničku energiju. Njihova uloga u hidroelek-tranama ekvivalentna je ulozi kotlova u termoelektranama. One su zapravo srce hidroelektrane i zato će im biti posvećeno cijelo sljedeće poglavlje. Preko osovine mehanička energija turbina prenosi se na hidrogenerator gdje se na kraju proizvodi električna energija. Ova osjetljiva i ključ-na hidraulička i električna oprema hidroelektrane smješta se u strojarnicu. Priključak hidroelek-trane na elektroenergetsku mrežu i sustav ostvaruje se pomoću susretnog rasklopnog postro-jenja. U njemu se proizvedena električna energija transformira u skladu s parametrima sustava i predaje u elektroenergetski sustav.

Nakon pretvorbe energije vode u mehaničku energiju, voda se iz turbina odvodom vraća natrag

33


u vodotok. Jednako kao dovod i odvod može biti izveden kao kanal ili kao tunel.

Dvije su ključne veličine koje definiraju izlaznu snagu hidroelektrane: protok vode i pad vode. Pad vode razlika u visini vode na mjestu usisa te na mjestu izlaza vode nakon prolaska kroz turbinu. Drugim riječima pad vode je razlika tlaka između ulazne vode i izlazne vode hidroelek-trane.

Zadatak: Objasnite što je to hidrostatski tlak!

Pad vode koji se koristi na turbini dok hidroelektrana radi naziva se neto pad i redovito je manji od bruto pada (statički pad ili razlika tlaka) koji je jednak padu vode kada je hidroelektrana iz-van pogona. Razlog tome su gubici tlaka uslijed trenja između vode i cjevovoda te gubitci tlaka uslijed podizanja razine izlazne vode. Nazivni pad je neto pad kod kojeg uz potpuno otvoren turbinski otvor (otvor privodnog aparata), hidrogeneratori daju nazivnu snagu.

Količina vode koja u jedinici vremena prolazi presjekom cjevododa izražava se u m3/s i naziva vodeni protok. Maksimalni protok koji može proći hidrauličkim sustavom hidroelektrane naziva se projektiranim protokom (qP).

Za stvaranje tlaka, odnosno pada vode zadužena je dakle brana, a protok omogućuje i regulira hidraulički sustav od zahvata vode do vodne turbine. Lopatice turbine gura brzi tok vode što re-zultira okretanjem turbine. To okretanje se prenosi na pomični dio hidrogeneratora – rotor. Rotor se vrti oko statora koji stvara magnetsko polje. Na rotoru su smješteni namoti u kojima se usli-jed gibanja kroz magnetsko polje statora inducira napon po principu elektromagnetske indukci-je. Tako iz energije vode nastaje električna energija. No kako odrediti iznos energije, odnosno snage koju hidroelektrana može proizvesti?

Iz svega do sada iznešenog, jasno je da je snaga hidroelektrane proporcionalna padu vode i protoku vode. Povećanje protoka (q) ili pada (H) rezultirati će većom proizvedenom snagom hidroelektrane.

U slučaju korištenja isključivo potencijalne energije vode (iz akumulacija) za pokretanje vodnih turbina snaga hidroelektrane (PHE) računa se prema izrazu:

HE HEP g H qη ρ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ (3.1)

Pri tome je u izrazu 3.1:

• ηHE: učinkovitost hidroelektrane,

• ρ: gustoća vode (1000 kg/m3) i

• g: ubrzanje sile teže (9,81 m/s2).

U slučaju korištenja isključivo kinetičke energije vode (iz riječnog toka) za pokretanje vodnih turbina snaga hidroelektrane računa se prema izrazu:

212HE HEP q vη ρ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

(3.2)

Budući da je:

q A v= ⋅ (3.3)

tada je moguć i slijedeći zapis:

312HE HEP A vη ρ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

(3.4)

Pri tome je u izrazu 3.4:

34


• A: površina lopatica vodne turbine koju udara tok vode i

• v: brzina toka vode.

Ukupna efektivna učinkovitost hidroelektrane (ηHE) korištena u prethodnim izrazima jednaka je umnošku učinkovitosti pojedinih dijelova postrojenja, učinkovitosti turbine (ηT) (gubici trenja, vrt-loženja, toka vode pored lopatica), učinkovitosti cjevovoda (ηC) (gubici trenja kroz cjevovod), učinkovitosti sustava prijenosa (ηPR) (gubici trenja u ležajima) i učinkovitosti generatora električne energije (ηg):

HE T C PR gη η η η η= ⋅ ⋅ ⋅

Za razliku od termoelektrana i nuklearnih elektrana kojima je gorivo u pravilu konstantno dos-tupno hidroelektrane su u energetskom pogledu karakterizirane mogućom ili očekivanom proiz-vodnjom. Razlog tomu je izrazita ovisnost godišnje proizvodnje hidroelektrana i količine padalina i dotoka u promatranoj godini na mjerodavnom vodnom slivu. Iz tog razloga se proizvodnja hidroelektrana obično izražava kao srednja godišnja proizvodnja u [GWh] i određuje kao arit-metička sredina mogućih godišnjih proizvodnji u promatranom dužem nizu godina za koje se raspolaže s podacima o ostvarenim dotocima.

PODJELE HIDROELEKTRANA

Budući da se svaka hidroelektrana dimenzionira i prilagođava izvedbom vodotoku ili slivu čiju će energiju vode koristiti kao i okolnoj geografskoj strukturi nemoguće je govoriti o tipskim hi-droelektranama. Moguće je potpuno istu nuklearnu ili termoelektrana smjestiti na dva različita mjesta, no kod hidreoelektrana u pravilu to nije slučaj i svaka hidroeelktrana se može smatrati svojevrsnim unikatnim primjerom. Stoga su prisutne i brojne podjele vrsta hidroelektrana. rever-zibilne hidroelektrane detaljnije će biti opisane u poglavlju skladištenja električne energije pa ih se u ovom poglavlu neće opisivati.

Hidroelektrane se mogopodijeliti prema instaliranoj snazi. Tako se uobičajeno razlikuju velike, male i mikro hidroelektrane. Mikro hidroelektrane uglavnom služe za pojedinačnu upotrebu i proizvode dovoljno snage za opskrbu kućanstva, farmi ili manjih naselja. Granica između pojed-inih vrsta hidroelektrana nije univerzalno i jasno definirana. Pojam mala hidroelktrana je relativan, pa tako nije isto govori li se o maloj hidroelektrani u Kini ili Brazilu gdje velike hidroelektrane imaju instalirani kapacitet i preko 10 GW ili npr. u Hrvatskoj u kojoj najveće hidroelektrane imaju snagu od nekoliko stotina MW.

Najčešći iznosi kojim se definira granica između malih i velikih hidroelektrana je snaga od 10 ili 20 MW. U Hrvatskoj je također definirana podjela na velike i male hidroelektrane s time da su male hidroelektrane prema zakonu poticani izvor energije, a granica je 10 MW. Mikro hidroelek-trane imaju snagu do 100 kW. Male hidroelektrane u pravilu zahtijevaju puno manje napora kod izgranje i uklapanja u okoliš, a posebno su povoljna rješenja za opskrbu električnom energijom udaljenih i izoliranih lokacija na kojima nema drugih ekonomski atraktivnih izvora energije. Prin-cip proizvodnje električne enrgije isti je neovisno o veličini hidroelektrane.

Strojarnica hidroelektrane može biti smještena neposredno uz branu i zahvat vode ili na nekoj udaljenoj kolaciji s obzirom na akumulaciju. Prema tom je mo-guće hidroelektrane podijeliti na pribranske i derivacijske (slika). Kod pribranskih hidroelektra-na strojarnica se nalazi u sklopu brane dok se kod derivacijskih hi-droelektrana voda nakon zahvata

35


kod brane vodi hidrauličkim sustavom do udaljene srojarnice u koj se nalaze vodna turbina i generator.

Kod pribranskih hidroelektrana obično se radi o hidroelektranama na velikim rijekama sa širokim koritom, velikim količinama vode, i relativno malim padovima. Tada je (teoretski) moguće upotri-jebiti sav dotok koji dolazi do mjesta gdje je izgrađena hidroelektrana. Ako je pad veći, normalno se gradi derivacijska hidroelektrana u kojoj se voda kanalom ili tunelom dovodi turbinama i tada ostaje neiskorišteni protok koji nastavlja prirodnim koritom rijeke.

Hidroelektrane se mogu podijeliti i prema padu vode (tlaku) koji koriste za proizvodnju električne energije. Prema ovoj podijeli razlikuju se niskotlačne (pad do 25 m), srednjetlačne (pad između 25 i 200 m) te visokotlačne (pad iznad 200 m) hidroelektrane. Ovisno o visini pada koriste se i različite vodne turbine o kojima više riječi u sljedećem poglavlju.

Osnova podjela hidroelektrana je podjela na akumulacijske i protočne hidroelektrane pa će ove dvije vrste hidroelektrana biti posebno opisane.

PROTOČNE HIDROELEKTRANE

U protočnim hidroelektranama energija vode riječnih tokova usmjerava se otvorenim kanalima ili cjevovodima prema vodnoj turnibi. Protočne hidroelektrane uobičajeno nemaju akumulacijsko jezero, odnosno ako ga imaju ono je jako male zapremine. Ove hidroelektrane dakle nemaju značajnu sposobnost skladištenja energije vode u obliku potencijalne energije nego koriste en-ergiju vode kad god je dostupna. Iz tog razloga protočne hidroelektrane se koriste za pokrivanje baznog opterećenja u dijagramu potrošnje uz određenu razinu fleksibilnosti izlazne snage tije-kom dana. Za izgradnju protočnih hidroelektrana odabiru se rijeke s protokom odgovarajućeg inteziteta i konstantnosti. Za vodne tokove bujičnog karaktera (velike varijacije u protoku) češće se koriste akumulacijske hidroelektrane. Budući da ne zahtijevaju gradnju velikih brana pro-točne hidroelektrane imaju manji utjecaj na okoliš od akumulacijskih hidroelektrana. Za gradnju protočnih hidroelektrana povoljniji su riječni tokovi sa strmijim nagibom toka budući da se na taj način potrebni pad postiže na ekonomičniji način izgradnjom dovodnih kanala ili cjevodova slika. Protočne hidroelektrane su uglavnom manjih snaga, do nekoliko desetaka MW, a za veće snage potrebna je izgradnja brane i stvaranje akumulacije.

36


Osnovna karakteristika protočnih hidroelektrana je dakle direktna ovisnost izlazne snage o tre-nutnom prirodnom dotoku vodnog izvor čiju energiju pretvaraju u električnu energiju.

AKUMULACIJSKE HIDROELEKTRANE

Akomulacijske hidroelektrane su uglavnom većih instaliranih snaga i glavna im je karakteristi-ka da vodu za pokretanje vodne turbine dobavljaju iz akumulacije putem hidrauličkog sustava kanala, cjevovoda i ostalih prethodno opisanih dijelova. Za razliku od protočnih, akumulacijske hidroelektrane mogu se podjednako koristiti i za pokrivanje baznog i vršnog opterećenja u dnev-nom dijagramu.

Postojanje akumulacje omogućava pohranjivanje velikih količina vode koja se može koristiti po potrebi, drugim riječima voda se ne mora koristiti istovremeno s dotokom prirodnog izvora vode. Ta sposobnost vremenskog razdvajanja trenutka proizvodnje i trenutka kada su prisutne oborine ili topljenje snijega s planina je glavna odlika akumulacijskih hidroelektrana. Što je veća zaprem-ina pridružene akumulacije to je veći doprinos hidroelektrane ukupnoj fleksibilnosti elektroener-getskog sustava i to na duži vremenski rok.

Bitna značajka akumulacijske hidroelektrane je dakle volumen (zapremina) njezine akumulacije. Potrebno je razlikovati geometrijski i korisni volumen akumulacijskog bazena. Geometrijski vol-umen (VMAX) akumulacijskog bazena je ukupni volumen vode koji se može spremiti između tla na dnu i najviše razine vode u akumulacijskom bazenu. Normalno se ne koristi sav raspoloživi volumen akumulacije, jer se za male volumene akumulirane vode naglo smanjuje pad, pa to dovodi do znatnog smanjenja snage, a s time i proizvodnje, pa je šteta od toga veća nego dobi-tak od iskorištenja tog malog volumena akumulirane vode. Korisni volumen (VK) akumulacijskog bazena je volumen vode koji se može spremiti između najviše i najniže razine (VMIN) u normalnom pogonu; to je i volumen koji se koristi u normalnom pogonu. Najniža razina pritom ne mora biti jednaka najnižoj razini za slučaj pražnjenja radi pregleda i popravaka. Za energetska razmatran-ja najvažniji je korisni volumen akumulacijskog bazena budući da samo taj volumen utječe na reguliranje protoka.

K MAX MINV V V= − (3.6)

Da bi se karakterizirao korisni volumen s obzirom na hidroelektranu, uvodi se vrijeme trajanja pražnjenja akumulacijskog bazena, TPR. To je minimalno vrijeme potrebno da korisni volumen istječe kroz turbine, pretpostavljajući da za to vrijeme nema dotoka u akumulaciju te da je protok vode kroz turbinu jednak maksimalnom protoku odnosno se projektiranom protoku (qP). Vrijeme pražnjenja akumulacije računa se prema izrazu:

3600K

PRP

VTq

=⋅ (3.7)

Ukoliko hidroelektrana ima akumulaciju koja se može isprazniti za manje od dva sata ta hidro-elektrana smatra se protočnom hidroelektranom. Ako je za pražnjenje akumulacije hidroelek-trane potrebno od 2 sata do 400 sati riječ je o dnevnoj akumulaciji, a ako pražnjenje akumulacije hidroelektrane traje više od 400 sati ona se smatra sezonskom akumulacijom.

Svojom izrazitom fleksibilnošću akumulacijske hidroelektrane mogu značajno pripomoći kod povećanja instalirane snage izrazito varijabilnih izvora električne energije kao što su energija vjetra i sunčeva energija. U ovom kontekstu još su fleksibilnije reverzibilne hidroelektrane, ali o njima više u poglavljima koja slijede.

JESTE LI ZNALI?

Iako se čini da izgradnja brana sprječava plovidbu brodova prirodnim tokovima inženjeri su izmislili riješenje i za ovaj izazov. Naime pomoću brodskih prevodnica brodovi mogu proći pre-preke koje su visoke i nekoliko desetak m.

37


KORIŠTENJE ENERGIJE OCEANA

Sasvim općenito hidroelektranama se smatraju ona postrojenja u kojima se gravitacijska potenci-jalna energija vode, pomoću rotacijskih strojeva i električnih generatora, pretvara u konačnici u električnu energiju. Pri tome nije bitno da li je energija Sunca pretvorena u u potencijalnu energi-ju vode ili je porijeklo te energije u uzajamnom gravitacijskom djelovanju Sunca i Mjeseca (ali i rotacije Zemlje), što uzrokuje pojavu plime i oseke. Energija valova i morskih struja također pot-ječe od energije Sunca ali se u prototipnim postrojenjima pretvara u električnu energiju na dru-gačiji načine nego u tradicionalnim hidroelektranama. Postrojenja za pretvorbu energije plime i oseke te energije valova i morskih struja u električnu energiju sasvim općenito mogu se nazvati hidroelektranama, no budući da nisu još dovoljno razvijene tehnologije i daleko su od komerci-jalne upotrebe, biti će tek rubno dotaknuta ovim priručnikom.

Vremenska učestalost pojave plime i oseke razlikuje se od obale do obale. Na europskoj obali Atlanskog oceana vremenski razmak između dvije plime je oko 12 sati, a na obalama Indokine 24 sata. Jednako tako i amplitude plime i oseke nisu svugdje jednake, a do njihove promjene dolazi i na istoj promatranoj obali. Amplitude ovise o položaju Sunca, Mjeseca i Zemlje, površini i dubini mora, konfiguraciji obale i smjeru vjetra. U Sredozemnom moru amplituda je samo 10 cm (slično je i na našoj obali), u Baltičkom moru nekoliko desetaka centimetara, a u Atlantskom, Tihom i Indijskom oceanu prosječno 6 do 8 m. Na pojedinim mjestima obale u zapadnoj Francuskoj i u jugozapadnom dijelu Velike Britanije amplituda dostiže i više od 12 m. Za energetsko iskorišta-vanje plime i oseke potrebno je odabrati pogodno mjesto na morskoj obali na kojem je velika amplituda plime i na kojem postoji mogućnost, izgradnjom brane (pregrade), izolirati dio morske površine radi stvaranja akumulacijskog bazena.

Za ekonomičnu proizvodnju je potrebna minimalna amplituda od 5-7 m. Najjednostavniji se način korištenja energije plime i oseke ostvaruje sustavom jednog bazena s turbinama koje rade samo u jednom smjeru strujanja. U tom se slučaju bazen puni za vrijeme plime kroz zapornice, a praz-ni za vrijeme oseke kroz turbine. Drugim riječima, energetsko se korištenje razlike razina vode bazena i mora provodi za vrijeme oseke. Moguć je i obrnuti smjer ali budući da obale bazena nisu okomite, to je energetsko korištenje razlike razina voda povoljnije za vrijeme oseke nego li za vrijeme plime jer na taj način turbine kroz dulje vrijeme rade s većim padom nego u slučaju korištenja za vrijeme plime. Najstarija i najveća elektrana na plimu i oseku se nalazi u Francuskoj u La Ranceu. Njezina snaga je 240 MW, a u pogon je ušla 1966. godine.

38


Kretanjem površinskog sloja oceana u vertikalnom smjeru nastaje energija valova. Ona je nestal-ni oblik energije i obilježena je visinom i brzinom kretanja površinskog sloja vode. Vjetrovi koji pušu po površini oceana prenose ogromnu energiju u kinetičku energiju valova koji ju mogu prenositi na velike udaljenosti praktički bez gubitaka. Za korištenje energije valova nema po-trebe graditi brane. Tehnologije koje koriste energiju valova za proizvodnju električne energije koriste vertikalno gibanje valova (gore – dolje). Dostupne tehnologije u ovom trenutku su termi-natori, atenuatori i točkasti apsorberi. Terminatori su uređaji koji su orijentirani vertikalno prema smjeru vala. Imaju stacionarnu komponentu i komponentu koja se giba. Gibajuća komponenta se kreće u smjeru gore – dolje. To gibanje tlači medij u stacionarnoj komponenti i tako pretvara energiju valova u iskoristivi oblik energije. Atenuatori su uređaji koji su paralelno postavljeni pre-ma smjeru vala. Najpoznatiji primjer je Pelamis, serija dugačkih cilindričnih plutajućih uređaja koji su međusobno spojeni te pričvršćeni za morsko dno. Cilindrični dijelovi pokreću hidraulički bat u sekcijama gdje se spajaju, a batovi pokreću električni generator slika.

Točkasti apsorberi nemaju posebnu orijentaciju prema valovima. Oni koriste energiju iz valova iz svih smjerova. Također su učvršćeni za dno, a gornji dio pluta na površini. Prolaskom vala dolazi do pokretanja hidrauličke pumpe koja je spojena na električni generator slika.

39


Postoje eksperimentalni primjeri iskorištavanja energije morskih struja ali su još daleko od komer-cijalne upotrebe. Temelje se na istom principu kojim se električna energija proizvodi strujanjem vjetra.

JESTE LI ZNALI?

Brzina morskih struja je znatno manja od brzine vjetra ali budući da je gustoća vode oko 800 puta veća od gustoće zraka morska struja brzine 10 m/s ima približno jednaku energiju kao struja vjetra brzine 100 m/s.

VODNE TURBINE

Kako je naglašeno u prošlom poglavlju, vodne turbine su ključni dio hidroelektrana. Vodne turbine su rotacijski pogonski strojevi koji potencijalnu i kinetičku energiju vode pretvaraju u mehaničku kinetičku energiju, a zatim, promjenom količine gibanja u radnom kolu (rotoru), u mehaničku energiju vrtnje (rotacijsku kinetičku energiju). Razvoj i usavršavanje vodnih turbina omogućili su nagli porast instalirane snage u hidroelektranama na kraju 19. i početku 20. stoljeća. Stoga će na početku ovog poglavlja biti ukratko opisan povijesni razvoj modernih vodnih turbina i njihovog preteče – vodnog kola.

RAZVOJ VODNIH KOLA

Drevni preteča vodnih turbina, vodno kolo, bilo je poznato i korišteno za energetske svrhe još u doba stare Grčke i Rima. Oni su petežito koristili vertikalno vodno kolo. Istovremeno su Kinezi uz vertikalno vodno kolo usavršavali korištenje i horizontalnog vodnog kola.

Postoje dakle dvije osnovne vrste vodnog kola: horizontalno vodno kolo s vertikalnom osovinu i vertikalno vodno kolo s horizontalnom osovinom. Vodna kola s horizontalnom osovinom mogu se pogoniti tako da voda teče ispod (privod odozdol) vodnog kola ili da voda teče preko (privod odozgor) vodnog kola slika. Postoje i izvedbe u kojima voda teče u tijelo vodnog kola slika.

40


Vodna kola ispočetka su korištena u mlinovima (vodenicam, pa odatle i drugi naziv vodeničko kolo) za mljevenje žita i kukuruza i bila su drvene izvedbe. Vodenice se smatraju jednim od prvih automatiziranih uređaja budući da su pokretane energijom vode, a smatra se da prve vodenice datiraju oko 400 godina prije nove ere. S obzirom na to da je os vrtnje kamena za mljevenje vertikalna, najjednostavnija izvedba vodnog kola je bila ona u kojoj je vodno kolo horizontalno s vertikalnom osovinom. Na ovaj način se izbjegla potreba za sustavom prijenosa, ali je bilo po-trebno usmjeriti vodu određenim kanalom ili jednostavnim tunelom. Ovakva vodna kola ujedno su imala i najmanju učinkovitost koja je ovisno o izvedbi varirala od 15 do 30 %.

Nešto složenija izvedba vodenice je ona s vertikalnim vodnim kolom s horizontalnom osovinom u kojem se javlja potreba za dodavanjem sustava prijenosa vrtnje koji je također ispočetka bio izrađen od drveta. Ovakva izvedba povećala je učinkovitost prijenosa energije. Tako vodno kolo koje pokreće voda koja teče ispod njega (kinetčka energija vode) doseže učinkovitost od 30% dok vodno kolo koje pokreće potencijalna energija vode koja teče preko vodnog kola doseže učinkovitost i do 70 %. Razlog ovako velike učinkovitosti jest istodobno iskorištavanje veće brzine vode ali i njezine težine čime se postiže veći okretni moment na vodnom kolu.

Zadatak: Uz pomoć nastavnika podsjetite se momenta sile, momenta tromosti te snage i en-ergije roracije.

Osim za potrebe u mlinovima, vodna kola korištena su i za drobljenje ruda, za lijevanje željeza ali i za pumpanje vode. Tako je od davnina vrsta vodnog kola zvana ‘Noria’ bila korištena za prbacivanje vode iz vodnog toka na poviženu razinu u akvadukete kojima se dalje prenosila do mjesta potrošnje slika.

Riječ Noria dolazi od arapskog izraza ‘Na-urah’ koji znači ‘Prvi vodeni stroj’. Uistinu, Noria se sma-tra prvim strojem koji nije pogonjen ljudskom ili životinjskom snagom. Noria je vrsta vodnog kola koje je pogonjeno vodom koja teče ispod njega i njihov promjer dosezao je i 30 m. Radijalne lopatice pokretala je energija vode i na taj način se uređaj okretao. Na obodu kola postavljene su posude raznih izvedbi, drvene, od bambusa ili keramičke, koje su se pri okretanju kola punile u rijeci, a potom praznile na vrhu kola u korito. Prazne posude ponovno se vraćaju u rijeku i proces ‘pumpanja vode’ se nastavlja.

41


JESTE LI ZNALI?

Kada su Goti 537. godine opsjedali Rim, prekinuli su dovod vode akvaduktima koji su služili za pokretanje mlinova. Belisarius, bizantinski general koji je branio Rim, naredio je postavljanje brodova mlinova, odnosno plutajućih mlinova u blizini mostova na rijeci Tiber budući da su stu-povi mostova sužavali i tako ubrzavali tok rijeke. Brodovi su bili usidreni uz obje strane riječne obale.

Rimski inženjeri su također otkrili da izgradnjom brane i sustavom privoda vode koja će padati na lopatice na vrhu vodnog kola mogu značajno poboljšati učinkovitost vodnog kola. Jedna od najistaknutijih primjena ovakvih vodnih kola je ogromni mlin, zapravo tvornica za proizvodnju brašna koja je pogonjena sa 16 vodnih kola, a izgrađena je u mjestu Barbegal, na jugu Francuske u 4. stoljeću nove ere. Procjenjuje se da je ta tvornica brašnom tada mogla opskrbljivati oko 80.000 ljudi.

U srednjovjekovnoj Europi pojavila javlja se snažna potreba za zamjenom ručnog rada pogon-skim strojevima. Razlozi su brojni, a među njima su najznačajniji porast monaškog (redovnici u udaljenim samostanima) načina života, manjak radne snage uslijed masovnog pomora zbog kuge i drugih bolesti te dostupnost velikog broja lokacija za postavljanje vodnih kola. Od 10. stol-jeća počinje značajno naseljavanje i kultiviranje dijelova zapadne i sjeverne Europe koji su do tada bili rijetko naseljeni. Žito, koje je postalo najvažnija žitarica, sijalo se na sve većim površina-ma, a većinom se mljelo u vodenicama. Tako je npr. u zapisima iz 1086. godine dostupan podatak da je u Engleskoj tada u pogonu bilo više od 5000 vodenica. Istodobno su se plutajući brodovi mlinovi, koji su postali popularni nakon što ih je general Belisarius u 6. stoljeću izgradio u nuždi, u većini srednjovjekovnih europskih gradova počeli zamjenjivati postrojenjima koja su izgrađe-na u sklopu građevine mosta. U 12. stoljeću se prvi put spominju mlinovi na plimu i oseku i to u Engleskoj i Francuskoj.

Krajem 11. stoljeća osniva se poseban ogranak Benediktinskog reda, Cisterijanci, koji su u bjegu od ovozemaljskih iskušenja izgradili svoje samostane u izoliranosti od ostatka svijeta. U toj izoli-ranosti izmislili su i izradili brojna inovativna i praktična rješenja za svakodnevne probleme. Nji-hove inovacije za potrebe navodnjavanja, rezanja drva, vodenica, sustava opskrbe vodom za kuhanje, pranje i kupanje te zbrinjavanja otpadnih voda vrlo su se brzo proširile Europom.

Pri kraju srednjeg vijeka (16. stoljeće) počeo je intenzivniji razvoj metalurgije, te je bilo potrebno sve dublje kopati da se dođe do sirovina. Time je počelo intenzivnije korištenje vodnih kola za ispumpavanje vode iz rudnika, za mrvljenje sirovina i za hlađenje peći. Vodna kola su se tada počela koristiti i u mnoge druge svrhe kao što je pravljenje papira, mrvljene šećera, pumpanje vode itd.

Britanski inženjer John Smeaton u drugoj polovici 18. stoljeća prvi se sustavno bavi ispitivan-jem vertikalnih vodnih kola. On izračunava da kola s privodom odozdol imaju stupanj djelovanja

42


prosječno 22 %, a s privodom odozgor 63 %. Smeaton je uložio značajan trud u unaprijeđenje konstrukcije i materijala vodnih kola koja je počeo izrađivati od ljevanog željeza.U 18. stoljeću je postignut daljnji napredak tehnologije vodnog kola i to prije svega zakrivljenjem lopatica i sm-ještanjem centra kotača na površinu vode čime se dodatno povećala učinkovitost vodnog kola. Poboljšanje materijala i tehnologije izrade vodnog kola dovelo je do razvoja i usavršavanja vod-nih turbina koje u potpunosti zamjenjuju vodno kolu. Ipak i danas se vodna kola mogu pronaći u primjeni, ali njihova svrha je turistička i povijesna zanimljivost.

RAZVOJ VODNIH TURBINA

Pogonska sila vodnog kola nastaje ili zbog težine vode ili zbog pretpritiska zastoja vode, a ne kao rezultat promjene količine gibanja vode, te se vodna kola iz tog razloga ne smatraju vodnim turbinama.

Škot Robert Barker konstruirao je 1740. godine prvu vodnu turbinu. Rotor je položen horizontalno, a privod vode je centralno s gornje strane (slika). Riječ je o vrsti reakcijske urbine u kojoj reakcija vode, koja tangencijalno izlazi iz otvora na krajevima krakova pod pritiskom tlaka vode u šupljem dijelu, okreće osovinu. Riječ je o trubini vrlo malog stupnja učinkovitosti. Barkerova turbina po-javila se tek kao model i nikad nije komercijalno korištena. Na sličan način funkcionira i turbina koju je 1750. godine izumio Johann Andreas Segner – Segnerovo kolo (slika). Ova turbina koristi dva mlaza vode koji izlaze pod pravim kutem s obzirom na radijus.

Ovakve turbinu najlakše je usporediti s klasičnom prskalicom za zalijevanje travnjaka koja ima zakrivljene mlaznice i radi na istom principu. Njezin primarni zadatak je dakako raspršivati vodu, ali istovremeno ima i funkciju turbine kojom okreće glavu prskalice. Voda pod pritiskom uvodi se u središte prskalice, a voda iz mlaznica izlazi pod manjim tlakom. Pad tlaka vode dešava se unutar mlaznica. Mlazovi vode pri tome ne udaraju u pokretač nego upravo suprotno – oni na-puštaju pokretač (mlaznice vezane na glavu prskalice). Sila na pokretač nastaje dakle kao reakci-ja na stvoreni moment mlaza vode pa odatle i naziv za ovakve vrste turbina – reakcijske turbine.

Zadatak: Koji zakon fizike objašnjava gibanje Barkerove i Segnerove turbine te prskalice za vodu? Neka vam nastavnik pomogne u objašnjenju ove pojave.

Švicarac Leonhard Euler i njegov sin Albert bavili su se matematičkom interpretacijom rada Segnerova kola i postavili temelje turbinske teorije koja neznatno dopunjena vrijedi i danas (Eulerova jednadžba ili glavna jednadžba turbostrojeva). Njihova teorija i eksperimentalna ispitivanja naišla su na značajnu primjenu u praksi oko 75 godina kasnije.

Poznati francuski matematičar Jean-Victor Poncelet konstruirao je 1824. godine napredno vodno kolo sa stupnjem djelovanja preko 60 %. Privod vode je bio odozdol, a kolo je uronjeno u privod-

43


ni kanal do polovice. Lopatice vodnog kola bile su zakrivljene izvedbe tako da je voda iz lopat-ica izlazila pod kutem od gotovo 180° u odnosu na kut ulaza u lopatice te na taj način stvaraju maksimalan moment iz protoka vode. Poncelet je također prilagodio brzinu vrtnje kola na takav način da je brzina izlazne vode znatno manja od brzine ulazne vode. Ta dva unaprijeđenja temelj su drastičnog povećanja učinkovitosti vodnog kola s privodom odozdol. Vrlo brzo, 1826. godine. Poncelet na temelju Eulerovih eksperimenata i teorije te svojih prethodnih uspjeha predlaže ide-ju nove vodne turbine u kojoj voda teče radijalno, od oboda rotora do osovine (slika).

Ova turbina je imala vertikalnu osovinu i potpuno oklopljen rotor sa zakrivljenim lopaticama. Na-kon prolaska kroz turbinu voda s slijeva ispod osovine. Iako ju nije komercijalizirao, ova turbina je preteča modernih turbina. Nju je dalje doradio i patentirao 1838. godine 1838 by Samuel B. Howd koji ju je kasnije i izgradio. Nešto kasnije James B. Francis otkupio je patent od Howd-a i 1849. godine izgradio Francis turbinu učinkovitosti od skoro 80 %.

Gotovo u isto vrijeme kada je Poncelet konstruirao radijalnu vodnu turbinu s tokom vode prema osovini, francuski profesor i inženjer Claude Burdin i njegov bivši student Benoît Fourneyron predlažu koncept radijalne vodne turbine s tokom vode prema obodu (slika).

Prva uspješna verzija Fourneyron turbine izgrađena je 1827. godine s učinkovitosti od 75 %. Go-dine 1844. Uriah A. Boyden dodaje vanjski difuzor kojim se dio kinetičke energije koja izlazi iz tur-bine vraća i na taj način još poboljšao učinkovitost. Ipak, unatoč visokoj učinkovitosti Boydenova turbina se zbog svoje nestabilnosti i komplicirane konstrukcije nije mogla nositi s uspješnijom izvedbom Francisove turbine.

44


Nijemac Henschel (1837.) i Francuz Jonval (1841.) neovisno jedan od drugoga patentiraju turbinu kasnije nazvanu Henschel-Jonvalova turbina. Prolazeći kroz rotor (slika) voda se uglavnom giba po plaštu valjka koaksijalnog s turbinom, paralelno s osovinom turbine, te nema radijalne kom-ponente.

Henschel-Jonvalova turbina radi na istom principu kao Fourneyronova, a novost je valjkasta cijev, tzv. aspirator, kroz koju voda struji nakon izlaska iz rotora. Aspirator je potpuno ispunjen vodom, a rotor je bitno podignut iznad razine donje vode. Godine 1863. izrađena je Girardova turbina (slika), koja također spada u red aksijalnih turbina s tom razlikom, prema Jonvalovoj turbini, što kod nje prostor između lopatica rotora nije potpuno ispunjen vodom. Turbina u tu svrhu mora biti postavljena iznad donje vode, a presjeci kanala između lopatica rotora moraju, na izlazu, biti prošireni. Girardova turbina stoga spada u red „turbina slobodnog mlaza“ ili u tzv. „akcijskih turbina“. Gradnja opisanih turbina je u današnje vrijeme napuštena, jer se u modernim turbinama postiže bolji stupanj djelovanja.

Do kraja 19. stoljeća i na početku 20. stoljeća dizajnrane su i izrađene sve moderne vodne tur-bine koje su danas u primjeni. Već spomenuta Francis turbina izrađena je 1849. godine i nakon toga usavršavana. Godine. 1880. amerikanac Lester Allan Pelton patentirao je prvu turbinu slo-bodnog mlaza (Pelton turbina). Godine 1913. Čeh Viktor Kaplan patentirao je propelernu turbinu (Kaplan turbina) kao i propelerne turbine sa zakretnim lopaticama radnog kola. Varijanta Kapla-nove turbine za iskorištavanje hidropotencijala s malim padom, a velikim protokom 1936. godine izgrađena je prva cijevna turbina. Godine 1940. razvijena je strafloturbina. Švicarac P. Deriaz 1952. godine je konstruirao dijagonalnu turbinu. U nastavku će od navedenih biti opisane na-jčešće korištene vodne turbine u današnje vrijeme.

VRSTE TURBINA

Iz dosadašnjeg izlaganja u ovom poglavlju može se uočiti dakle da se pretvorba mehaničke energije iz energije vode u turbinama zasniva na rotaciji. Fiksni dio turbine služi za usmjeravan-je vode prema rotirajućem dijelu. Taj fiksni dio turbine naziva se stator ili privodno kolo. Radni, odnosno rotirajući dio vodne turbine naziva se rotor ili radno kolo. Privodno kolo i radno kolo su osnovni dijelovi turbine slika. Ovisno o izvedbi, turbine mogu imati i druge dodatne dijelove.

45


Danas se u osnovi grade dva tipa vodnih turbina: pretlačne (reakcijske turbine) i turbine slo-bodnog mlaza (akcijske turbine). Ova podjela se temelji na načinu pretvorbe energije vode u mehaničku energiju, odnosno prema promjeni tlaka vode prilikom strujanja kroz radno kolo. Najjednostavniji primjer reakcijske turbine je prethodno opisana prskalica vode. U reakcijskim turbinama je tlak vode na izlasku iz radnog kola manji nego tlak vode na ulasku u radno kolo. U njima se dio potencijalne energije vode pretvara u kinetičku u privodnom, a drugi dio u radnom kolu. Kako bi mogle držati tlak vode reakcijske turbine trebaju biti potpuno zatvorene (kućište) ili potpuno uronjene u vodeni tok.

Pretvorbu energije vode u mehaničku energiju u ovim turbinama opisuje Newton-ov treći zakon gibanja – Zakon akcije i reakcije. Tako sile potrebne za pokretanje radnog kola nastaju kao posl-jedica ubrzavanja vode (akceleracija) uslijed pada njezinog tlaka. Uslijed većeg broja dostupnih izvedbi radnih kola reakcijskih turbina one se mogu koristiti za velike raspone padova i protoka vode. Reakcijske turbine u pravilu imaju spiralni privod s kontrolnim zaporima kojima se regulira tok vode.

Nasuprot pretlačnim turbinama, postoje i izvedbe turbina u kojima je tlak vode na ulazu u radno kolo isti kao i na izlazu iz njega. Razlog tome je što se sva potencijalna energija vode pretvara u kinetičku samo u statoru (privodnom kolu) turbine. Ovakve turbina nazivaju se turbinama slo-bodnog mlaza ili akcijske (impulsne) turbine i u pravilu se koriste za visoke padove vode. Budući da ne dolazi do promjene tlaka, za rad akcijske turbine nije nužno kućište. Princip rada akcijskih turbina intuitivnije je od reakcijskih. Potencijalna energija vode relativno visokog pada pretvara se u kinetičku energiju snažnog mlaza vode na izlazu iz mlaznice.

Prije udara u lopatice turbine, mlaznica dakle pretvara potencijalnu energiju vode u kinetičku energiju vode i usmjerava ju na radno kolo. Mlaz vode udara u lopatice radnog kola i na taj način gubi brzinu i energiju koju preuzima radno kolo. Zakretni moment rotora nastaje uslijed impulsa sile koja nastaje promjenom količine gibanja zbog skretanja mlaza vode u radnom kolu i prom-jene njegove brzine. Moderne akcijske turbine temelje se na patentu amerikanca Allena Peltona gdje mlaz vode pogađa lopatice tangencionalno na radno kolo.

Najveća učinkovitost akcijskih turbina postiže se kada je obodana brzina radnog kola približno jednaka polovici iznosa brzine mlaza vode koji stiže iz mlaznice.

46


ZA ONE KOJI ŽELE ZNATI (JOŠ) VIŠE!

Može se postaviti pitanje: Zašto se najveća učinkovitost akcijskih turbina postiže kada je obodana brzina radnog kola približno jednaka polovici iznosa brzine mlaza vode koji stiže iz mlaznice?

Za odgovor može poslužiti slijedeći idealizirani i pojednostavljeni primjer (Pelton turbina).

Neka je promjer radnog kola akcijske turbine jednak D te neka su lopatice postavljene po obodu radnog kola na tako da mlaz vode uvijek udara u više od jedne lopatice. Presjek lopatica (gornji lijevi ugao slike) izveden je tako da se mlaz vode pri udaru na središnji hrbat podjednako dijeli na obje strane lopatica i olakšava promjenu smjera kretanja mlaza vode (promjena količine gibanja) odnosno predaju impulsa sile radnom kolu.

Ukupni pad vode (H) koji se koristi u mlaznici se sastoji od statičkog tlaka (nadmorska visina) i dinamičkog tlaka (tlak uslijed gibanja vode) vode koja se nalazi na nekoj nadmorskoj visini. Teo-retska izlazna brzina vode (v) iz mlaznice u idealnom slučaju iznosi:

2v g H= ⋅ ⋅ (4.1)

Uz pretpostavku da mlaz vode udara u lopatice savršeno tangencijalno na radno kolo te da se voda zakreće za 180° vektori svih brzina, brzine mlaza vode iz mlaznice, obodne brzine radnog kola (u) na mjestu udara mlaza vode i brzine vode koja izlazi iz lopatica leže na istom pravcu što pojednostavljuje daljnji izračun. Relativna brzina (v’) između mlaza vode i oboda radnog kola iznosi dakle:

'v v u= − (4.2)

Ako se pretpostavi da je sudar savršeno elastičan te da je masa radnog kola značajno veća od mase količine vode koja udara u lopatice, prema zakonu o očuvanju količine gibanja mlaz vode se vraća iz lopatice po istom pravcu koji je došao relativnom brzinom (v’’) u odnosu na obod radnog kola:

( )''v v u v u= − − = − + (4.3)

Stoga je u trenutku izlaza vode iz lopatice iznos brzine mlaza vode (viz):

'' 2izv v u v u= + = − + (4.4)

Impuls sile (I) koji je predan radnom kolu od strane mlaza vode jednak je razlici količine gibanja vode prije i nakon sudara s lopaticama:

( )iz izI F t m v m v m v v= ⋅ = ⋅ − ⋅ = ⋅ − (4.5)

Tako je sila (F) koja djeluje na radno kolo jednaka:

47


( ) ( ) ( )( 2 )2izm v v V v v u

F q v ut t

ρρ

⋅ − ⋅ ⋅ − − + ⋅= = = ⋅ ⋅ ⋅ −

(4.6)

Pri tome je:

• m: masa vode koja tijekom vremena t udara u lopatice radnog kola,

• V: volumen vode koja tijekom vremena t udara u lopatice radnog kola,

• ρ: gustoća vode (1000 kg/m3) i

• q: volumni protok vode.

Sada se može odrediti i moment sile (M) koji djeluje na radno kolo:

( ) ( )22 2D DM F r F q v u D q v uρ ρ= ⋅ = ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ −

(4.7)

Dakle ako radno kolo miruje mlaz vode brzine v i protoka q daje najveći zakretni moment. Ako je pak brzina radnog kola jednaka brzini mlaza vode tada je zakretni moment koji je prenosi na radno kolo jednak nula. Snaga (P) radnog kola uslijed proizvedenog momenta računa se prema:

( )2P F u q u v uρ= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − (4.8)

Uz fiksnu brzinu mlaza vode snaga koju radno kolo proizvodi funkcija je dakle obodne brzine radnog kola, u. Budući da je riječ o kvadratnoj funkciji maksimalna snaga postiže se u tjemenoj točki za koju vrijedi da je:

2vu =

(4.9)

Zadatak: Ukoliko ste upoznati s matematičkim postupkom određivanja točaka minimuma i mak-simuma funkcije pokažite pomoću izraza 4.8 da se maksimalna snaga radnog kola postiže up-ravo kada je njegova obodna brzina jednaka polovici iznosa brzine mlaza vode.

Ova maksimalna snaga akcijske turbine (PMAX) iznosi:

2

2MAXq vP ρ ⋅ ⋅

= (4.10)

Uz uvažavanje izraza 4.1 izraz 4.10 prelazi u:

MAXP q H gρ= ⋅ ⋅ ⋅ (4.11)

Dakle u ovom idelanom slučaju sva energija vode ukupnog pada H u potpunosti je prenešena na akcijsku turbinu, odnosno njezina učinkovitost je 100 %.

U akcijskim turbinama težnja je na temelju razlike količine gibanja mlaza vode prije ulaska u turbinu i nakon izlaska iz nje predati impuls sile na radno kolo te pretvoriti svu kinetičku energiju mlaza vode u rotacijsku energiju turbine. Drugim riječima kinetička energija i brzina izlazne vode iz akcijske turbine trebale bi biti što bliže nula da bi učinkovitost ovakve turbine bila maksimalna.

Snaga radnog kola akcijske turbine može se povećati dodavanjem dodatnih mlaznica. Tako se za akcijske turbine s horizontalnom osovinom koriste uobičajeno dvije mlaznice dok se kod ak-cijskih turbina s vertikalnom osovinom koristi veći broj mlaznica (4 ili više).

Izlazna snaga akcijske turbine mora se moći brzo prilagoditi promjeni električnog opterećenja pridruženog generatora. Budući da brzina rotacije generatora mora ostati ista potrebno je mijen-

48


jati promjenu protoka vode kroz mlaznice. Protok kroz mlaznice mijenja se pomoću pokretnih igli (slika).

Pravilno dimenzionirana igla osigurava konstantnu izlaznu brzinu vode bez obzira na protok vode, odnosno otvor mlaznica. Na ovaj način se osigurava gotovo konstantna učinkovitost turbine za veći dio radnog područja. Kod naglih promjena potrošnje električne energije bila bi potrebna nagla zatvaranja ili otvaranja otvora mlaznice što bi rezultiralo vodnim udarom na dovodne cje-vodove i nagli porast tlaka. Kako bi se ta pojava izbjegla mogu se privremeno koristiti pomoćne preljevne mlaznice (ne pogađaju radno kolo) ili metalni deflektor (oblik barijere) između mlaznice i lopatica radnog kola dok se protok vode u mlaznicama ne dovede u željenu razinu.

Turbine se dijele i s obzirom na smjer kojim voda teče kroz njih. Tako reakcijske turbine mogu biti radijalne, aksijalne, radijalno-aksijalne i dijagonalne, dok su akcijske turbine uglavnom tangenci-jalne. U radijalnim turbinama voda struji u ravnini koja je okomita na os rotacije dok u aksijalnim turbinama voda struji u smjeru paralelno osi rotacije. U radijalno-aksijalnim turbinama voda jed-nim dijelom teče okomito, a drugim paralelno s osi rotacije. U dijagonalnim turbinama (Deriaz turbina - slika) voda kroz radno kolo prolazi pod nekim kutem bliskim 45° (‘dijagonalno’) u odnosu na os rotacije.

Neovisno o izvedbi snaga vodne turnine ovisi o:

• protoku vode,

• padu vode,

49


• promjeru rotora turbine

• kutnoj brzini turbine,

• gravitacijskom ubrzanju,

• gustoći vode,

• dinamičkoj viskoznosti i

• hrapavosti površina.

Od reakcijskih turbina danas su najčešće u upotrebi Francis i Kaplan turbine dok je od akcijskih najzastupljenija Pelton turbina. Ova tri osnovna, suvremena tipa turbina najčešće ne predstavl-jaju konkurenciju jedan drugom, odnosno, u većini se slučajeva nema dileme prigodom izbora turbine pri zadanim okolnostima s obzirom na raspoloživi pad, količinu vode i broj okretaja, te dodatno s obzirom na uvjete opterećenja i promjenljivost pada i količine vode. Moderne turbine u pravilu imaju učinkovitost veću od 90 %. Navedene turbine će biti opisane u nastavku teksta.

FRANCIS TURBINA

Ova vrsta vodnih turbina je najzastupljenija u današnjih hidroelektranama i nalazi se u 60 % ukupnog svjetskog instaliranog kapaciteta u hidroelektranama. Razlog tomu je njezina visoka učinkovitost i prilagodljivost raznim radnim uvjetima. Primjenjivi pad vode i protok vode su ključni parametri kojima se definiraju zahtjevi na vodnu turbinu. Tako se Francis turbina može primjeniti za geodetske padove od 50 pa do 700 m te za protoke od 10 do 700 m3/s. Ove turbine zadrža-vaju visoku učinkovitost (preko 90 %) i uz velike promjene protoka vode pa se mogu koristiti i u hidroelektranama koje se susreću s velikim razlikama u sezonskom karakteru prirodnog dodotka vode.

Francis turbina je radijalna, odnosno radijalno-aksijalna reakcijska turbina, centripetalnog smisla utjecanja vode u rotor. Voda ulazi u rotor na njegovom vanjskom a izlazi na unutarnjem obodu. Raniji tipovi Francisove turbine bili su gotovo sasvim radijalni, no, kod suvremenih tipova, voda na izlazu iz rotora ima znatnu aksijalnu komponentu strujanja (slika).

Tlačni cjevodov dovodi vodu do spiralnog privodnog kola (statora) koji se nalazi u kućištu i služi za ravnomjerno raspoređivanje pristigle vode po obodu radnog kola. Budući da radno kolo ima čvrsto fiksirane lopatice (slika) snaga se regulira prilagodbom protoka pomoću pokretljivih lopati-ca na statoru. Zakretanje lopatica privodnog kola, odnosno regulacija protoka vode kroz turbinu, ostvaruje se zakretanjem regulacijskog prstena koje se prenosi na svaku lopaticu posebno.

50


Kako je već rečeno privodno kolo Francis turbine je spiralnog oblika. Dodatna karakteristika mu je da se presjek vodnog kola smanjuje od ulaska vode iz tlačnog cjevododa do kraja privodnog kola (slika).

Ovo kontinuirano smanjenje presjeka kućišta privodnog kola omogućava konstantnu brzinu ulaznog toka vode na lopatice rotora duž cijelog privodnog kola.

Oblik lopatica rotora Francis turbine je prilično složen. Lopatice tvore zakrivljene kanale kroz koji struji voda, a pričvršćene su s gornje strane na glavčinu, te s donje strane na vijenac rotora (slika). U rotoru se tok vode iz počenog radijalnog preusmjerava u aksijalni, pa tako na izlazu ove vodne turbine tok vode ima zanemarivu radijalnu i tangencijalnu komponentu. Velika površina izlaza iz rotora omogućava protok velike količine vode koja na samom izlazu ima malu brzinu, odnosno malu kinetičku energiju.

Po izlasku iz rotora voda ulazi u difuzor (slika). Difuzor je odsisna cijevna konstrukcija koja se postavlja ispod rotora s ciljem povećanja neto pada vode. Ovaj dadatak je posebno bitan kod reakcijskih turbina s malim neto padom pa postavljanje turbine iznad razine odvoda može predstavljati značajne gubitke. S druge pak strane, ako se turbina postavi prenisko, u slučajevima kad je tlak vode u odvodu veći od tlaka na izlazu iz turbine, može doći do značajnih oštećenja turbine uslijed suprotnog strujanja vode natrag u turbinu.

51


Postavljanje difuzora povećava tlak na račun smanjenja izlazne brzine (i kinetičke energije) vode što pozitivno utječe na izlaznu snagu i učinkovitost turbine. Drugim riječima, neupotrebljiva izlaz-na kinetička energija pretvara se u upotrebljivu potencijalnu energiju (energiju pada). Dodatne prednosti difuzora su moguće veće smanjenje tlaka na izlazu iz turbine bez rizika od oštećenja turbine te također mogućnost postavljanja turbine iznad razine odvodne vode što olakšava pre-gled i održavanje ključnih dijelova turbine.

KAPLAN TURBINA

Kaplan turbina je reakcijska turbina koja je prilagođena primjeni za velike protoke i male padove, što je čest slučaj u protočnim hidroelektranama. Kaplan turbina je nastala razvojem Francisove turbine. To je aksijalna turbina s vrlo malim brojem lopatica rotora koji je građen u obliku propel-era. Između statora i rotora postoji relativno veliki međuprostor kroz koji se voda giba slobodno slika.

Zbog poboljšanja učinkovitosti Kaplan turbine imaju pomične lopatice rotora (posebna izvedba Kaplan turbine je propelerna turbina kod koje su lopatice rotora fiksne). Učinkovitost kod Kaplan turbina doseže preko 90 %. Izvedba turbina sa zakretnim lopaticama rotora je složenija nego izvedba običnih propelernih turbina no mogućnost zakretanja krilaca smanjuje sudarne gubitke i osigurava strujanje vode uz minimalne hidrauličke gubitke. Kaplan turbina po izgledu i principu rada podsjeća na brodski propeler.

Općenito, po dizajnu Kaplan turbina slična je Francis turbini. voda niskog pad i velikog protoka usmjerava se spiralnim privodom koji je smješten u kućište kojemu se jednako kao kod Francis turbine poprečni presjek kontinuirano smanjuje. Razlog je ujednačena brzina vode pri ulasku na krilca na privodnom kolu. Između tih krilaca i lopatica rotora nalazi se zavinuti prolaz kojemu je jedina svrha početni radijalni smjer vode promjeniti u aksijalni prije susreta s lopaticama rotora. Voda potom struji preko lopatica i pri tome stvara područja visokog i niskog tlaka što rezultira gibanjem lopatica rotora od područja višeg prema području nižeg tlaka.

Regulacija protoka vode vrši se upravljačkim mehanizmom koji djeluje na krilca na statoru slično kao kod Francis turbine.

52


PELTON TURBINA

Kao glavni predstavnik akcijskih turbina Pelton trubina je već dobrim dijelom opisana u prethod-nom dijelu teksta. pelton turbina je dakle akcijska, tangencijalna vodna turbina koja se mahom koristi za vrlo visoke padove i male protoke vode. Geometrija lopatica smještenih na obodu rotora izvedena je tako se rotor okreće obodnom brzinom koja je jednaka polovici brzine mlaza vode koji pogađa lopatice. Lopatica ove turbine podijeljena je oštrim bridom (nož lopatice) na dva jadnaka ovalno udubljena dijela slika.

Kako bi se smanjio otpor površina lopatice iznimno je fino ispolirana, a sam rotor je detaljno izbal-ansiran. Mali izrezi na kraju lopatica sprječavaju prerano rezanje mlaza vode koji udara u lopaticu sljedećom lopaticom kako se rotor okreće čime se također povećava učinkovitost.

Ove turbine tako koriste skoro svu količinu gibanja mlaza vode, koji napušta turbinu gotovo bez ikakve brzine. Za razliku od prethodno opisanih reakcijskih turbina, Pelton turbina ne zahtijeva kućište, tj. ne treba biti potpuno uronjena u vodu pa se njezine lopatice se okreću u zraku.

Voda vrlo visokog pada dovodi se do mlaznica iz kojih se usmjerava tako da udara u lopatice rotora u smjeru tangencijalnom na rotor. Ovisno o potrebnoj snazi i orijentaciji pogonske osovine (vertikalna, horizontalna) mogi imati jednu ili više mlaznica (slika).

Na istu osovinu mogu se postaviti jedan ili dva ro-tora. Kod verikalne osovine potrebna je poseb-na pažnja kod postavljanja više rotora zbog mogućnosti hidrodinamičkog utjecaja gornjeg rotora na rad donjeg rotora. kako gornji rotor ne bi hidrodinamički narušavao rad donjeg rotora. Izvedba Peltonove turbine s okomitom osovi-nom omogućava postavljanje rotora na minimal-nu visinu iznad donje vode kao i dovod vode po obodu rotora te je povoljnija. Dovod vode po obodu rotora (u istoj horizontalnoj ravnini) omo-gućuje korištenje većeg broja mlazova koji se nalaze na istoj geodetskoj koti, a što je povoljno iz perspektive regulacije. Budući da se radi o ak-cijskoj turbini, ona u potpunosti mora biti iznad

53


razine odvoda zbog konstrukcijskih razloga. Visina Pelton turbine iznad razine odvoda je direktni gubitak te ga treba svesti na minimum.

U usporedbi s reakcijskim turbinama pelton turbina je konstrukcijski značajno manje zahtijevna budući da se sastoji od privoda vode, mlaznica i rotora. Mlaznice služe za pretvorbu potencijalne (energije pada vode) energije u kinetičku energiju vodnog mlaza. Regulacija snage Pelton tur-bine vrši se pomoću pokretne regulacijske igle. Položaj regulacijake igle definira iznos protoka vode iz mlaznica, a izvedba igle mora biti takva da je brzina mlazna konstantna i neovisna o pro-toku. Za izbjegavanje vodnih udara u tlačnom cjevovodu privoda pri potrebi za naglim promjena-ma snage, mlaz iz pogonskih mlaznica može se ‘rezati’ deflektorskom pločom ili se mogu koristi pomoćne ispusne mlaznice. Budući da su konstantno izložene visokom tlaku vode, koja dodatno može imati i značajne koncentracije abrazivnih čestica mlaznice se izrađuju od volfram karbida koji je vrlo tvrd i dobro odoljeva eroziji. Ipak mlaznice se izvode tako da je njihova zamjena što lakša ukoliko se za to pokaže potreba pri redovitom servisu ili u slučaju kvara.

Pelton turbine mogu dosegnuti učinkovitost od 95 %, a dodatno mogu postizati vrlo visoku učinkovitost i pri malim opterećenjima. Ova karakteristika Pelton turbina postaje tim izraženija čim veći broj mlaznica pogoni rotor turbine.

54


IV. SUNČEVO ZRAČENJEU uvodnim poglavljima naznačeno je da je Sunce početak većine energijskih lanaca te da je njegova energija pretvorena u energiju većine primarnih energenata kao što su fosilna goriva, potencijalna energija vode, energija valova i morskih struja, energija vjetra i dr. Stoga će uvodni dio ovog poglavlja biti posvećen upravo Suncu.

SUNCE

Sunce, odnosno njegova energija, osnovni je pokretač svih klimatskih i životnih ciklusa na Zemlji. Iz tog razloga je Sunce od davnina predstavljalo centar vjerovanja brojnih civilizacija. Danas se Sunce promatra prije svega kao izvor ugode i kao neizmjerni potencijal za podmirivanje ener-getskih potreba prema principima održivog razvoja.

Sunce je najbliža zvijezda Zemlji i ujedno središnja zvijezda Sunčevog sustava dio kojeg je i planet Zemlja koja je čini se na optimalnoj udaljenosti od Sunca budući da je prema trenutnim spoznajama jedini planet u Sunčevom sustavu na kojem ima razvijenih oblika života. Sunce se sastoji od smjese plinova, a u njegovom kemijskom sastavu dominiraju vodik (70 %) i helij (28 %).

Sunce je neposredno ili posredno, izvor većine dostupne energije na Zemlji. No odakle Suncu tolika energija? U Sunčevoj jezgri konstantno se odvija nuklearna fuzija u kojoj se dva atoma vo-dika spajaju u jedan atom helija uz oslobađanje energije na račun smanjenja mase (ukupni proiz-vedeni helij ima ukupnu masu manju od ukupne utrošene mase vodika). Dakle Sunčeva energija je zapravo nuklearna energija, proizvedena u njegovom središtu, gdje temperatura doseže i do 15 milijuna °C. Istovremeno je temperatura na površini Sunca oko 5500 °C. Proizvodnja energije temeljem nuklearne fuzije rezultira kontinuiranim smanjenjem mase Sunca i to trenutno brzinom od 4 milijuna tona svake sekunde.

JESTE LI ZNALI?

Ukoliko nekoga zabrinjava navedena brzina smanjenja mase Sunca možda ga smiri činjenica da masa Sunca procijenjeno predstavlja 99,86 % cijelog Sunčevog sustava i iznosi oko 2 x 1030 kg.

Proces nuklearne fuzije u Suncu traje već oko 5 milijardi godina (tolika je otprilike i starost Sunca), a procjene su da će raspoložive zalihe vodika dostajati za još otprilike 5 milijardi godina. Mali dio ukupne energije proizvedene u Suncu dolazi do Zemlje u obliku Sunčevog zračenja. Ta energija je od neizmjerne važnosti za gotovo sve energetske procese, od fotosinteze pa sve do pretvor-be Sunčeve energije u korisne oblike energije.

POVIJEST KORIŠTENJA ENERGIJE SUNCA

Energija Sunca se na Zemlji koristi od njezinog nastanka, a pogotovo nakon pojave prvih živih organizama. U nastavku je pak dan povijesni pregled oblika energije koji su dobiveni iz energije Sunca i upotrebljavaju se na koristan način za zadovoljenje određenih ljudskih potreba.

Prvi korisni oblik energije za koji je korištena energija Sunca jest svakako dobivanje vatre, pomoću različitih načina (staklo, povećala, zrcala) usmjeravanja i fokusiranja Sunčevih zraka. Tako su Kinezi, Grci, Inke i Rimljani, došli do zaključka da zakrivljena zrcala mogu koncentrirati Sunčeve zrake na zapaljivi materijal i tako stvoriti dovoljan intenzitet zračenja da se pokrene proces gorenja. Čest naziv za ova zrcala u to doba bio je ‘goruća zrcala’, a zbog zadivljujućeg efekta korištena su i za religijske potrebe (uslijed ljudskog neznanja ovakve senzacionalne po-jave plamena izazivale su dodatno strahopoštovanje).

Prema nekim povijesnim zapisima tijekom Drugog Punskog rata (212. godine prije nove ere), grč-ki znanstvenik Arhimed iskoristio je reflektirajuća svojstva štitova načinjenih od bronce fokusir-

55


ajući Sunčeve zrake i tako zapalio drvene rimske brodove. Premda nema dokaza da se događaj iz zapisa uistinu i dogodio često se za opis tog podviga koristi izraz ‘Arhimedova zraka smrti’. Pokus koji je grčki znanstvenik Ioannis Sakkas proveo uz pomoć grčke mornarice 1973. godine pokazao je da je nešto takvo moguće jer je na sličan način zapaljen brod s udaljenosti od 50 m.

Sofisticirani oblik arhitekture i urbanog planiranja primjenjuju već Grci, Kinezi i Egipćani koji su orijentirali svoje građevine prema jugu i na taj način osiguravali prijeko potrebnu svjetlost i topli-nu. Nakon pada Rima, solarna arhitektura u Europi je uglavnom zanemarena ali se istovremeno nastavlja razvijati u Kini. Poznate rimske kupelji projektirane su s velikim prozorima na južnoj strani kako bi se što jednostavnije održavala toplina u prostoru. Orijentacija prema Suncu, kako prostorija u kućama tako i u javnim zgradama, postala je dio normalnog života, što potvrđuje i ‘Pravo na Sunce’ koje je definirano Justinijanovim zakonikom iz 6. stoljeća. Ovo pravo jamči sva-koj osobi neometan pristup uncu i njegovim blagodatima.

Nestala indijanska civilizacija, Anasazi (‘Drevni narod’), živjela je na područja Sjeverne Amerike u nastambama okrenutim južno kako bi hvatali više Sunčeve topline zimi, što se smatra prvim primjerom korištenja pasivnih solarnih sustava (slika). Procjena je da ove nastambe datiraju iz 13. stoljeća.

U 18. stoljeću staklo se počelo intenzivnije koristiti i ljudi su opazili da se pomoću stakla može zarobiti i iskoristiti dio Sunčeve topline. Švicarski znanstvenik Horace de Saussure zapazio je da je zapravo svaka prostorija toplija ukoliko ima staklenu pregradu kroz koju mogu ulaziti Sunčeve zrake. Temeljem tog zaključka 1767. godine izradio je prvi poznati solarni kolektor koji koristi staklo za ‘hvatanje’ Sunčeve energije.

Škotski istraživač Robert Stirling 1816. godine izumio je toplinski regenerator, uređaj za poboljšanje toplinske učinkovitosti u različitim procesima koristeći otpadnu toplinu za dogrijavanje rashlađenog radnog medija. Ovaj uređaj svoju primjenu kasnije nalazi u solarnoj termalnoj industriji koja iskorištava Sunčevu toplinsku energiju za proizvodnju električne energije.

Francuski fizičar Edmond Becquerel 1839. godine napravio je ogroman korak u napretku solarne tehnologije za proizvodnju električne energije. Iako nije teoretski znao objasniti pojavu, otkrio je da ukoliko se metal izloži Sunčevoj svjetlosti na njegovim krajevima se pojavi razlika elek-tričnog potencijala, odnosno napon. Od tada su krenula intenzivnija istraživanja ove pojave kao i određena tehnička primjena. Godine 1873. Willoughby Smith otkrio je fotovodljivost selena, a nešto kasnije 876. godine William Grylls Adams i Richard Evans otkrili su sposobnost selena za proizvodnjom električne energije kada se obasja Sunčevom svjetlosti. Također su dokazali da čvrsti materijali mogu direktno pretvarati energiju Sunca u električnu energiju, bez prethodne pretvorbe u toplinsku ili mehaničku energiju. Prve solarne ćelije izradio je Charles Fritts 1883. godine, a prvi solarni grijač vode izumio je Clarence Kemp 1891. godine.

56


Francuski matematičar August Mouchet je također krajem 19. stoljeća u suradnji s pomoćnikom Abelom Pifreom načinio prvi solarno pogonjen pogonski stroj (slika) koji je preteča modernim solarnim paraboličnim tanjurima.

Njemački genije Albert Einstein je planetarno poznat po svojim brojnim doprinosima znanosti od kojih se posebno ističe njegova ‘Teorija relativnosti’. Ipak, mnogi nisu upoznati s činjenicom da je upravo Einsten u svom radu iz 1905. godine teoretski objasnio pojavu koju je otkrio Becquerel. Tu pojavu objašnjava njegova teorija ‘fotoelektričnog učinka’ (o kojem detaljnije u sljedećem poglavlju) za koju je Einstein dobio i Nobelovu nagradu za izniman znanstveni doprinos 1921. godine.

Poljski znanstvenik Jan Czochralski 1918. godine otkrio je metodu izrade monokristalnih silicijskih ćelija što je značajno pomoglo daljnjem razvoju primjene fotonaponskih uređaja. Godina 1954. se smatra godinom ‘rođenja’ fotonaponske tehnologije. Naime tada su David Chapin, Calvin Fuller i Gerald Pearson izradili prvu fotonaponsku ćeliju, odnosno prvi komercijalni uređaj koji direktno pretvara Sunčevo zračenje u električnu energiju. Od tada pa sve do današnjih dana znanstvenici i inženjeri koriste isti princip i tragaju za novim meterijalima i načinima njihove upotrebe kako bi povećali učinkovitost fotonaponskih ćelija.

SUNČEVO ZRAČENJE I NJEGOV POTENCIJAL

Zbog lakšeg razumijevanja parametra Sunčevog zračenja potrebno je prije svega pojasniti po-jmove ozračenje i ozračenost.

Ozračenje (iradijacija) (G) je srednja gustoća dozračene snage Sunčevog zračenja, a jednaka je omjeru snage Sunčevog zračenja i površine plohe okomite na smjer tog zračenja. Mjerna jedini-ca je vat po kvadratnom metru (W/m2).

Ozračenost (Iradijacija) (E) je količina energije Sunčevog zračenja dozračena na jediničnu površinu plohe u određenom vremenskom razdoblju. Određuje se množenjem (sasvim općenito integriranjem ozračenja po vremenu) prosječnog ozračenja i vremena trajanja tog ozračenja, a jedinica za ozračenost je vat sat po kvadratnom metru (Wh/m2) ili džul po kvadratnom metru (J/m2). Ovisno o promatranom vremenskom intervalu ozračenost se može definirati kao satna, dnevna, mjesečna ili godišnja ozračenost.

57


Prolaskom kroz atmosferu Sunčevo zračenje se djelomično apsorbira zbog interakcija s plinovi-ma i vodenom parom i dodatno se raspršuje na molekulama plinova i česticama prašine te zbog toga ono slabi (slika). Sunčevo zračenje tako do tla dospijeva kao izravno i kao raspršeno zračen-je, a jedan dio pristiglog zračenja se i odbije od površina na Zemlji. Stoga je potrebno razlikovati direktno, raspršeno i odbijeno Sunčevo zračenje.

Zbog velike udaljenosti Zemlje i Sunca opravdano je pretpostaviti da se Sunčevo zračenje pri ulaska u atmosferu sastoji od snopa paralelnih elektromagnetskih valova. Međudjelovanjem s plinovima i česticama u atmosferi Sunčevo zračenje se dijelom apsorbira, dijelom reflektira, te većim dijelom ipak nesmetano prolazi kroz atmosferu te kao izravno (direktno) Sunčevo zračen-je dolazi iz prividnog smjera Sunca. Nadalje jedan dio ovog zračenja se apsorbira ili odbija u oblacima.

Raspršeno ili difuzno Sunčevo zračenje nastaje uslijed raspršivanja zračenja u atmosferi i taj dio zračenja do površine Zemlje dolazi iz svih smjerova. Drugi dio raspršivanja dešava se u oblaci-ma. Sunčevo zračenje sudara se s molekulama plina ili česticama te ih i pobuđuje na titranje te potom zračenje primljene energije u svim smjerovima. Tako zračenje nije više samo u jednom smjeru, kao prije ulaska u atmosferu, već se distribuira u svim pravcima.

Odbijeno ili reflektirano Sunčevo zračenje predstavlja onaj dio pristiglog Sunčevog zračenja koji se odbije od tla ili vodenih površina.

Može se dakle izvući zaključak da se ukupno Sunčevo zračenje vodoravne plohe može sasto-jati samo od izravnog i raspršenog zračenja. S druge pak strane nagnuta ploha osim izravnog i raspršenog zračenja može obuhvatiti i od tla odbijeno Sunčevo zračenje. Drugim riječima ukupno Sunčevo zračenje nagnute plohe sastoji se od izravnog, raspršenog i od tla odbijenog zračenja.

Ozračenje koje proizvodi Sunčevo zračenje mjeri se pomoću satelita izvan Zemljine atmosfere. Na tlu se ozračenje mjeri raznim dostupnim uređajima od kojih je piranometar najpoznatiji. Pi-ranometrima se mjeri direktno i raspršeno Sunčevo zračenje.

Pretpostavka je da Sunce proizvodi konstantnu energiju koja kontinuirano pristiže na Zemlju. Mjerenjem je utvrđeno da ozračenje Sunčeva zračenja na ulazu u Zemljinu atmosferu iznosi u prosjeku 1367 W/m2 i taj iznos naziva se ‘solarna konstanta’ (GSK). To je zapravo iznos ozračenosti na zamišljenu ravnu površinu okomitu na Sunčeve zrake (slika) budući da iz Sunčeve perspektive Zemlja izgleda kao disk površine P’:

58


2' ZP r π= ⋅ (5.1)

Pri tome je rZ polumjer Zemlje.

Sunčevo zračenje zapravo pada u svakom trenutka na polusferu površine P:

22 ZP r π= ⋅ ⋅ (5.2)

Izraz 5.2 dakle ukazuje da prosječno ozračenje trenutno osvijetljenog dijela Zemlje dakle iznosi pola vrijednosti solarne konstante odnosno oko 684 W/m2. Ako se pak u obzir uzme cijela površi-na Zemlje tada prosječno dnevno ozračenje Zemlje iznosi oko 342 W/m2. Iznos ozračenja koje dolazi do Zemljine površine smanjuju dodatno prethodno opisani utjecaji atmosfere i oblaka te je gruba procjena da je prosječna godišnja ozračenost Zemljine površine oko 200 W/m2.

Zemlja se okreće oko svoje osi i oko Sunca po eliptičnoj putanji što za posljedicu ima dnevne i sezonske promjene iznosa ozračenosti dijelova površine Zemlje. Sezonske promjene utječu globalno na iznos dostupnog Sunčevog ozračenja na vanjskoj granici atmosfere. Taj iznos varira od 1321 W/m² na početku srpnja do 1412 W/m² na početku siječnja slika. Iznos dostupne Sunčeve ozračenosti (G0) za svaki dan u godini (n) na vanjskoj granici atmosfere može se odrediti pomoću izraza:

0 1 0,034 cos 2265,25SK

nG G π = ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅

(5.3)

Pri tome je n redni broj dana u godini za koji se računa dostupna ozračenost (npr. za 5. veljače je n = 36).

59


Izraz 5.3 odnosi se samo za točku na Zemlji u kojoj je kut solarnog zenita ( SZθ ), odnosno kut između pripadajuće normale na površinu Zemlje (pravac kroz tu točku i središte Zemlje) i up-adnih zraka Sunca 0°. Za sve druge specifične lokacije (točka P na slici) ozračenje horizontalne plohe (G0h) računa se kao:

0 0 cosh SZG G θ= ⋅ (5.4)

Za određivanja točnog iznosa ozračenosti specifične lokacije na Zemlji potrebno je dakle uzeti u obzir trenutno stanje atmosferskih prilika, geografsku širinu, doba godine kao i točno vrijeme u promatranom danu.

Zanimljivo je usporediti ukupnu dnevnu ozračenost plohe koja je okomita na zrake Sunca (H0) u ukupnu dnevnu ozračenost plohe koja je horizontalna s obzirom na površinu Zemlje (H0h) za lokacije koje se nalaze na različitim zemljopisnim širinama (slika).

60


Prema određenoj solarnoj konstanti (1367 W/m2) i uz podatke o promjeru Sunca (1,39 milijuna km) i prosječnoj udaljenosti Sunca od Zemlje (149,6 milijuna km) moguće je odrediti da ozračenje na površini Sunca iznosi oko 6,33 × 107 W/m2.

Zadatak: Uz pretpostavku da ozračenost Sunčevog zračenja opada proporcionalno kvadratu udaljenosti od središta Sunca potvrdite računski iznos ozračenja na površini Sunca.


Kut solarnog zenita ( SZθ ) potrebnog u izrazu 5.4 nije jednostavno odrediti u određenom trenutku. Ipak postoje i druge, jednostavnije metode i veličine kojima se može odrediti položaj promatrača na Zemlju u odnosu na Sunce. Za tu potrebu nužno je poznavati iznose slijedećih karakterističnih kutova: zemljopisna širina (φ), kut deklinacije (δ) i satni kut Sunca (ωS). Zemljopisna širina je kon-stanta zadane lokacije i predstavlja kutnu udaljenost promatrača od ekvatora prema sjeveru ili jugu. Kut deklinacije je kutna udaljenost spojnice središta Zemlje i središta Sunca i ekvatorijalne ravnine. Kut deklinacije isti je za sve točke na Zemlji i bio bi konstantan da os rotacije Zemlje nije pod kutom od 23,45° u odnosu na normalu ravnine u kojoj se Zemlja kreće oko Sunca slika.

61


Stoga se kut deklinacija poprima vrijednosti od -23,45° do 23,45° i mijenja se ovisno o danu u godini (n) prema slijedećem aproksimativnom izrazu:

8123,45 sin 360365

nδ − = ⋅ ⋅

(5.5)

Satni kut Sunca je vrijeme izraženo kutom, odnosno kut projekcija linije koja spaja centar Zemlje i centar Sunca i linije koja spaja centar Zemlje i promatranu točku na ekvatorijalnu ravninu slika.

Satni kuta Sunca potrebno je vrijeme određeno položajem Sunca na nebu izraženo u stupnjevi-ma. To je razlika između zemljopisne dužine meridijana koji sadrži točku promatrača i meridijana koji je trenutno paralelan sa Sunčevim zrakama. Sunčevo podne je trenutak prolaska zraka Sun-ca kroz meridijan u točki promatrača (P). Pravo Sunčevo vrijeme (tS) odstupa od vremena koje

62


se očitava na urama radi kretanja Zemlje, vremenskih zona i ‘pomicanja’ vremena. Uz poznato pravo Sunčevo vrijeme može se izračunati trenutni kut Sunca:

1218012

SS

tω −= ⋅

(5.6)

Satni kut Sunca je negativan prije Sunčevoga podneva, a pozitivan nakon Sunčevoga podneva.

Poznavajući zemljopisnu širinu točke P (φ), trenutni kut deklinacije (δ) i satni kut Sunca točke P (ωS)

moguće je odrediti trenutni kut solarnog zenita ( SZθ ) točke P pomoću izraza:

cos sin sin cos cos cosSZ Sθ φ δ φ δ ω= ⋅ + ⋅ ⋅ (5.7)

JESTE LI ZNALI?

Ukupna energija Sunčevog zračenja koja svake sekunde stiže na površinu Zemlje iznosi oko 100 PJ. Usporedbe radi, na Zemlji se svake sekunde u prosjeku troši oko 16 TJ energije što je oko 6000 puta manje od dostupne energije Sunčevog zračenja.

Iako su potencijali Sunčevog zračenja ogromni postoje brojni problemi kod iskorištavanja tih potencijala. Osnovni problemi iskorištavanja su mala površinska gustoća dostupne energije, čin-jenica da tek nešto više od 25 % ukupne Sunčeve ozračenosti otpada na kopneni dio Zemlje, velike oscilacije intenziteta ozračenja kao i značajni investicijski troškovi.

U svijetu je 2015. godine bilo instalirano oko 435 GW termalne snage u sustavima grijanja koji koriste solarne kolektore. Više od 70 % od tog iznosa otpada na instalirani kapacitet u Kini.

Na karti koja prikazuje godišnju razinu ozračenosti uočljivo je da Europa nije na najpovoljnijem mjestu za korištenje Sunčeve energije. Ipak unatoč tome u Europi je direktno iskorištavanje Sunčeve energije u velikom porastu što je uglavnom rezultat politike poticanja tehnologija za iskorištavanje Sunčeve energije u sklopu poticanja održivog razvoja.

Osnovni načini direktnog iskorištavanja energije Sunca danas su: pasivno i aktivno solarno gri-janje, fotonaponske ćelije te fokusiranje Sunčeve energije. Fotonaponske ćelije biti će opisane u poglavlju koje slijedi, dok će ostali načini korištenja biti opisani u nastavku ovog poglavlja.

63


PASIVNO SOLARNO GRIJANJE

U povijesnom pregledu korištenja Sunčeve energije već je spomenut da su Rimljani, Kinezi a kasnije i indijansko pleme Anasazi koristili energiju Sunca za zagrijavanje svojih životnih pros-tora. Dakle koristili su arhitektonska rješenja koja su im jamčila dugoročne dobrobiti korištenja dodatne topline Sunca. To su ujedno bili i prvi primjeri pasivnog solarnog grijanja. Pojam ‘pasivno solarno grijanje’ obuhvaća tehnologije za korištenje Sunčevog zračenja s ciljem zagrijavanja objekata.

Pasivno solarno grijanje je ujedno i jedan od elemenata pasivnog solarnog dizajna, koji se temelji na korištenju Sunčeve energije za proizvodnju drugih oblika energije, ili transport toplinske en-ergije putem prirodne konvekcije, kondukcije ili zračenja. Za razliku od aktivnog solarnog dizaj-na, tehnologija pasivnog solarnog dizajna ne zahtijeva dodatne uređaje, iziskuje relativno male troškove i uglavnom je brzo isplativa.

Osim pasivnog solarnog grijanja pasivni solarni dizajn obuhvaća i pasivno solarno hlađenje (pravilna izvedba prirodne ventilacije prostora) te pasivnu solarnu rasvjetu (maksimalno korišten-je Sunčevog svjetla za rasvjetljavanje prostora).

Pasivna solarno grijanje ostvaruje se ponajprije na način da se stambene cjeline i objekti grade tako da se čim više zagrijavaju u hladnom dijelu godine te da i se što manje zagrijavaju kada tijekom toplijeg dijela godine. Ovo je moguće postići zahvaljujući činjenici da je kut (zbog kuta deklinacije) pod kojim se Sunce, u krajevima sjeverno od ekvatora, nalazi tijekom ljeta veći od onoga preko zime. Pasivno rješenje predstavlja nadstrešnica na južnom dijelu nastambe.

Zadatak: Analizirajte i komentirajte mogućnosti pasivnog solarnog grijanja na južnoj Zemljinoj hemisferi pomoću nadstrešnica i ostakljenih površina. Koje su razlike, a koje sličnosti u uspored-bi sa sjevernom hemisferom?

Pasivna solarno grijanje dodatno se ogleda i u:

• dobroj izolaciji objekta,

• zidovima i podovima koji imaju dodatnu masu za akumuliranje topline (akumulacija preko dana za noćne potrebe) koje čine građevinski materijali velikog kapaciteta skladištenja topline, poput cigle, betona, zemlje, ali i vode,

• odgovarajućoj orijentaciji prozora objekta, odnosno orijentacija prema smjeru iz kojeg čitave godine dolazi najveća količina Sunčevog zračenja

• odgovarajućoj izvedbi prozora i stakla koje današnja tehnologija pruža, a koji se sastoje od posebnih materijala, ili su prekriveni specijalnim slojevima, koji omogućavaju veću akumulaciju toplinske energije,

• odgovarajućem sustavu za distribuciju akumulirane toplinske energije kroz objekt,

• dodatnim izvorima svjetla iz posebnih kanala i dr.

Pasivno solarno grijanje objedinjava dakle sustave za apsorpciju, akumulaciju i distribuciju toplin-ske energije Sunca (slika). Svi navedeni sustavi koriste uobičajene sastavne dijelove objekta kao što su prozori, krovovi, zidovi ili podovi, tako da ugradnja ovakvih sustava zapravo ne predstavlja velike dodatne troškove, posebice ako se ugrađuje u nove objekte.

Postoje i rješenja koja strogo gledano nisu pasivna gdje se može npr. pomicati pokrov ili dio fasa-de. Pretpostavka pasivnoj gradnji je značajna južna površina (na sjevernoj Zemljinoj hemisferi) te da nema zasjenjivanja okolnih objekata.

Dodatno treba planirati uređenje okoliša objekta raslinjem za stvaranje sjene zelenilom preko ljeta i osiguravanjem zaklona od vjetra preko zime.

64


Dizajn pasivnog solarnog grijanja ne mora nužno zadovoljavati ukupne potrebe za toplinom tijekom cijele godine. U svakom slučaju takav dizajn može značajno smanjiti troškove zagrijavanja prostora i istovreme-no smanjiti upotrebu neobnovljivih goriva, najčešće fosilnih.

AKTIVNO SOLARNO GRIJANJE – SOLARNI KOLEKTORI

Glavni uređaji koji se koriste za aktivno gri-janje korištenjem Sunčeve energije su solar-ni kolektori. Korištenje energije Sunca preko toplinskih kolektora nešto je složenije od pasivnih rješenja, a prvi poznati solarni kolektor izradio je još 1767. godine Švicarac Horace de Saussure (slika).

Horace de Saussure izradio je pravokutnu drvenu kutiju koju je iznutra toplinski izolirao te s gorn-je strane prekrio staklenom površinom. Sunčeve zrake prolaze kroz stakleni pokrov i zagrijavaju crnu podnu oblogu kutije. Staklo dakle propušta Sunčevo zračenje u kutiju ali ne dozvoljava proizvedenoj toplinskoj energiji izlazak iz kutije. I današnji suvremeni solarni kolektori koriste isti princip prikupljanja topline - princip rada staklenika. U stakleniku se naime prikuplja Sunčevo zračenje i pretvara u toplinsku energiju potrebnu za rast biljaka.

Prvi solarni kolektori koji su služili za grijanje vode pojavljuju se u 19. stoljeću i to u obliku crno obojanih metalnih posuda s vodom. Grijanje vode u takvim posudama trajalo je prilično dugo, a bez dodatka toplinske izolacije hlađenje vode je nastupilo vrlo brzo nakon nestanka Sunčevog zračenja. Godine 1891. Clarence Kemp patentirao je solarni kolektor u kojem je udružio princip izlaganja metalnih posuda s vodom i de Saussureov princip prikupljanja i zadržavanja Sunčeve energije u obliku toplinske energije.

Tako je nastao prvi komercijalni solarni kolektor. Nešto kasnije, 1909. godine William J. Bailey patentira revolucionarnu izvedbu solarnog kolektora. On je naime razdvojio prostor za grijanje vode od prostora za skladištenje tople vode (slika). Ova dva prostora povezao je sustavom cijevi za protok vode.

65


Dio uređaja za grijanje bio je izložen Suncu, a toplinski izolirana posuda s toplom vodom sm-ještena je u prostor unutar kuće. Grijač vode se sastojao od cjevčica koje su spojene na metalnu površinu crne boje i smješten je u kutiju pokrivenu staklom. Umjesto da stoji u posudi, voda sad prolazi kroz uske cjevčice čime se značajno smanjuje volumen vode koji se u svakom trenu izlaže Sunčevom zračenju što ubrzava proces zagrijavanja vode.

Suvremeni solarni kolektori zadržali su sličan princip. Solarni kolektori preuzimaju Sunčevu en-ergiju i predaju je radnoj tekućini. Pomoću ‘efekta staklenika’ Sunčeva energija ostaje zarobljena unutar kolektora. Absorber solarnog kolektora prima Sunčevo zračenje i nakon toga emitira top-linu i infracrveno zračenje koji ostaju zarobljeni unutar kolektora. Radna tekućina (obično voda) u kontaktu s absorberom preuzima tu energiju i predaje ju vodi u spremniku tople vode preko izmjenjivača topline.

Dva osnovna principa vezana uz toplinske gubitke određuju dizajn solarnog kolektora. Kao prvo, svaki topli objekt s vremenom preda svoju toplinu okolini. Stoga je učinkovitost solarnog kolektora direktno vezana uz toplinske gubitke koji se odvijaju procesima konvekcije i zračenja. Za potrebe smanjenja toplinskih gubitaka potrebno je koristiti odgovarajuću toplinsku izolaciju solarnog kolektora. Dodatno, treba imati na umu da su toplinski gubici to veći što je temperatur-na razlika toplog objekta i njegove okoline veća. Ova činjenica ima dvojako značenje za solarni kolektor, budući da s jedna strane znači veće gubitke u okolinu ali istovremeno i veći prijenos topline na radnu tekućinu. Stoga treba pravilno odrediti željenu temperaturu solarnog kolektora i prilagoditi ga željenoj namjeni.

Solarni kolektori sami nisu dovoljni za grijanje vode nego je potrebno izvesti cijeli sustav solar-nog grijanja vode. Osnovni dijelovi to sustava su (slika):

• Solarni kolektori koji preuzimaju Sunčevu energiju i predaju je radnoj tekućini,

• Radna tekućina koja prenosi toplinu iz solarnog kolektora i predaje ju vodi u spremniku,

• Izmjenjivači topline za prijenos topline s radne tekućine na vodu u spremniku,

• Spremnik vode odgovarajuće izoliran,

• Pumpe (u aktivnim sustavima) za pomoć pri kretanju radne tekućine i vode u spremniku i

• Upravljači sustav pumpi.

Solarni sustavi se za grijanje u najvećem broju slučajeva koriste se kao dodatni sustav grijanja, dok kao osnovni služe plinski, uljni ili električni grijači i kotlovi. Kao osnovni izvori energije za

66


grijanje ovi su sustavi ograničeni na područja s dovoljnom količinom Sunčevog zračenja tokom cijele godine, u kojima su ujedno i klimatski uvjeti povoljniji pa je sezona grijanja relativno kratka.

Izvedbe sustava solarnog grijanja mogu biti s i bez aktivnih komponenti te mogu kao radni medij koristiti zrak, vodu, odnosno mješavinu vode i glikola ili drugog sredstva za sprječavanje smrza-vanja.

U pasivnim konfiguracijama (termosifonski princip) solarnih sustava za grijanje spremnik tople vode smješta se iznad solarnog kolektora, bilo vani na krovu ili u nekoj nutarnjoj prostoriji (na-jčešće krovište) koja je na višem položaju od kolektora (slika).

Radna tekućina se kroz solarni kolektor zagrijava i prirodno ( jer je rjeđa) podiže prema vrhu kolektora te nastavlja teći prema vrhu spremnika. Istovremeno hladnija i gušća voda spušta se prirodno prema dnu kolektora i kreće njezino ponovno zagrijavanje čime se zatvara petlja.Kod aktivnih solarnih sustava za grijanje koristi se pomoć pumpe ra cirkulaciju radnog medija (ponekad i vode iz spremnika) pa spremnik tople vode ne mora biti na povišenoj razini naspram solarnog kolektora (slika).

Ovakvi sustavi opremljeni pumpom su napredniji i fleksibilniji od pasivnih jer omogućavaju ko-risniku sustava bolji uvid i kontrolu nad performansama sustava grijanja. S obzirom na tempera-turu koju postiže radni medij solarni kolektori se dijele na nisko, srednje i visoko temperaturne

67


kolektore. Niskotemperaturni solarni kolektori koriste se postizanje temperatura koje su do 10 °C više od okolne temperature. Glavna primjena im je zagrijavanje vode u bazenima, a izvode se bez pokrova u obliku perforiranih ploča za predgrijavanje zraka (slika).

*

Za postizanje temperatura koje su od 10 °C do 50 °C više od okolne temperature koriste se srednjotemperaturni solarni kolektori najčešće pločaste izvedbe, dok se za postizanje još viših temperaturna radnog medija koriste visokotemperaturni solarni kolektori. Visokotemperaturni solarni kolektori mogu biti u dvije izvedbe: vakumske cijevi ili koncentrirajući solarni kolektori.

Tipični pločasti solarni kolektor je metalna kutija koja je toplinski izolirana te sadrži stakleni ili plastični prozirni pokrov i absorbersku donju ploču. Vertikalne bakrene cjevčice, u kojima se po-diže temperatura radne tekućine budući da su postavljene uz absorbersku ploču, na dnu i vrhu solarnog kolektora spajaju se na sabirne odvodne i dovodne cijevi nešto većeg promjera (slika). Pločasti solarni kolektori imaju učinkovitost od 50 % do 80 %.

Vakuumski cijevni solarni kolektori sastoje se od niza staklenih cilindara u kojima je vakuum (is-pražnjeni su od zraka) koji osigurava izvrsnu toplinsku izolaciju jer sprječava toplinske gubitke kondukcijom i konvekcijom. Svaki stakleni cilindar umeće se u zajedničku sabirničku cijev na vrhu kolektora. Tom sabirnicom teče voda koja odnosi toplinu stvorenu u cilindrima i grije vodu u spremniku. Svaki cilindar sastoji se od bakrene cjevčice zatvorene u dvostrukom sloju stakla. Vakuum se nalazi upravu između ta dva sloja stakla i služi jednako kao u termos boci. Unutarnji sloj stakla obložen je absorberom koji prenosi Sunčevu energiju na radnu tekućinu u bakrenoj cjevčici. Na dnu svakog cilindra je hladna radna tekućina koja se zagrijavanjem podiže prema sabirničkoj cijevi te predaje toplinu tekućini u sabirnici. Ohlađena voda ponovno se vraća na dno cilindra (slika).

68


Zbog svog okruglog presjeka, vakuumski solarni paneli mogu pretvoriti veću količinu Sunčeve energije u toplinsku energiju budući da na njih Sunčeve zrake konstantnu padaju pod pravim ku-tom (slika). Vakuumski solarni paneli imaju dakle konstantnu absorpcijsu površinu tijekom cijelog dana što značajno povećava učinkovitost koja iznosi i preko 90 %.

Koncentrirajući solarni kolektori reflektiraju i usmjeravaju Sunčevu energiju s veće površine na malu površinu. Takvi solarni kolektori paraboličnog presjeka mogu zagrijati vodu i na nekoliko stotina °C (slika).

69


Ovakvi kolektori se koriste u situacijama kada postoji potreba za ogromnim količinama toplinske energije i nisu isplativa rješenja za kućanstva.

MOGUĆE UŠTEDE KORIŠTENJEM SOLARNOG GRIJANJA

Ugradnjom solarnih kolektora i sustava za solarno grijanje moguće je dakle smanjiti potrebe za grijanjem iz drugih izvora (fosilna goriva) te na taj način ostvariti i određene uštede. Ovdje će biti naglasak na grubu procjenu godišnjih ušteda koje se mogu ostvariti na području Republike Hrvatske (slika). Također se pretpostavlja da se solarni kolektori postavljaju pod optimalnim fik-snim kutom, odnosno pod onim kutom za koji je očekivana godišnja ozračenost tih kolektora na promatranoj lokaciji maksimalna.

Uštede se uspoređuju u odnosu na alternativnu upotrebu električnih bojlera s pretpostavljenom učinkovitošću (ηe) od 100 %. Nadalje cijena električne energije je oko 1 kn/kWh. Pretpostavlja se da se sustav solarnog grijanja koristi za pripremu potrošne tople vode (PTV).

Primjer: Kolike se maksimalne uštede mogu ostvariti ugradnjom sustava solarnog grijanja u Slavonskom Brodu, koji ima 3 m2 pločastih kolektora učinkovitosti 50 %. Učinkovitost preostalog sustava solarnog grijanja je 100 %.

Rješenje:

Sa slike se može očitati da je dostupna godišnja ozračenost u Slavonskom Brodu (HgSB) oko 1450 kWh/m2. Kako je učinkovitost solarnog kolektora (ηsk) 50 %, a učinkovitost ostatka sustava solarnog grijanja (ηss) 100 % uz ukupnu površinu solarnog kolektora (Ask) moguće je odrediti mak-simalnu godišnju iskoristivu toplinsku energiju (Qtk):

1450 0,5 1 3 2175tk gSB sk ss skQ H Aη η= ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ = kWh (5.8)

Ukoliko se za grijanje vode umjesto električne energije cijene (πe) 1 kn/kWh iskoristi sva raspoloži-va toplinska energija sustava solarnog grijanja moguće je dakle ostvariti uštede (ΔΠ) od:

70


2175 1 21751

tk e

e

Q πη⋅ ⋅

∆Π = = = (5.9)

Zadatak: Kolike se maksimalne uštede mogu ostvariti ugradnjom sustava solarnog grijanja u Splitu, koji ima 4 m2 vakuumskih cijevnih solarnih kolektora učinkovitosti 90 %. Učinkovitost preostalog sustava solarnog grijanja je 90 %.

FOKUSIRAJUĆE SOLARNE ELEKTRANE

Fokusirajuće solarne elektrane u principu se ne razlikuju značajno u načinu proizvodnje elek-trične energije od termoelektrana pa ih se može zvati solarnim termoelektranama. Termoelek-trane na Kod ovih elektrana primjenjuje se također desnokretni toplinski kružni proces koji preko turbine ili nekog drugog toplinskog stroja pretvara toplinsku energiju u mehaničku i električnu preko generatora. Razlikuju se tri vrste Solarnih termoelektrana: parabolična protočna, Solar-ni toranj i parabolični tanjur. Sve ove termoelektrane koriste primarno direktnu komponentu Sunčevog zračenja i za dostatnu učinkovitost moraju pratiti kretanje Sunca.

Parabolična protočna solarna termoelektrana predstavlja izvedbu solarne termoelektrane s pol-jem cijevi u fokusu polja linearnih paraboličnih koncentratora i ima najveći potencijal za posve komercijalno korištenje. Koncentracijom Sunčeva zračenja od 75 puta postižu se temperature radnog medija i do 400 °C. Ukupna efikasnost ovisi o specifičnoj izvedbi, ali se kreće oko 12%. Solarni koncentratori mogu pratiti Sunce samo u jednoj osi i to je obično istok-zapad (slika).

Solarna termoelektrana sa solarnim tornjem predstavlja izvedbu solarne termoelektrane s cen-tralnim tornjem prema kome su usmjerena reflektirajuća zrcala. Tehnologija sa centralnim torn-jem je nešto slabije razvijena. Ovdje se postižu koncentracije Sunčevih zraka i do 800 puta i temperature u tornju do 560 °C (slika).

Solarna termoelektrana s paraboličnim tanjurom je najmanje razvijena. Kompletan toplinski stroj i generator se nalaze smješteni u fokusu tanjura promjera oko 10 m. Uobičajena izvedba je sa

71


Stirlingovim toplinskim strojem. Stirlingov motor ima prednost zbog efikasnosti (i preko 40%), ali problem predstavlja pouzdanost. Ukupna efikasnost koja se postiže iznosi 22%, što je bolje od ostalih izvedbi solarnih termoelektrana. Sunčeva svjetlost se koncentrira više od 3000 puta što predstavlja izazov kod realizacije (skupo). Karakterizira ih velika gustoća snage (oko 55 kW/l). Medij u toplinskom stroju postiže temperature od preko 750 °C (slika).

U nedostatku Sunčeve energije, sustavi koji fokusiraju sunčevo zračenje mogu lako prebaciti na pomoćni sustav grijanja (prirodni plin ili neki drugi izvor energije) budući da se u ovim postrojen-jima energija Sunca koristi za grijanje vode.

IZRAVNA PRETVORBA SUNČANE ENERGIJE U ELEKTRIČNU

U prošlom poglavlju da je kratki povijesni pregled tehnologija korištenja Sunčeve energije, između ostalih i fotonaponskih ćelija. Stoga će ovo poglavlje započeti teoretskim uvodom i po-jašnjenjem fenomena koji je sve do 19. stoljeća bio nepoznat, a objašnjen je tek početkom 20. stoljeća. Taj fenomen otvorio je nove znanstvene, stručne i tehnološke vidike i omogućio proiz-vodnju električne energije na sasvim novi način i to bez potrebe za korištenjem mehaničke en-ergije za pokretanje električnog generatora. Taj fenomen je fotoelektrični učinak.

JESTE LI ZNALI?

Lord Kelvin 1900. godine dao je slijedeću izjavu: „Nema ničeg novog što bi fizika sada mogla otkriti. Sve što ostaje je sve preciznije i preciznije mjerenje.“ Samo pet godina kasnije morao ju je pobiti jer je Einstein objavio svoj rad o specijalnoj relativnosti i fotoelektričnom učinku.

FOTOELEKTRIČNI UČINAK

Budući da se većina istraživanja zakona zračenja temelji na zračenju apsolutno crnog tijela, za lakše poimanje fotoelektričnog učinka potrebno je krenuti up-ravo od pojma apsolutno crnog tijela. To je tijelo koje potpuno apsorbira sve zračenje koje na njega padne, a ujedno je i (pre-ma Kirchhoffovu zakonu zračenja) najbolji odašiljač zračenja. Takvo tijelo u stvarnosti ne postoji, ali ga može dobro dočarati velika zatvorena šupljina malog otvora koja je toliko neprozir-na da jedva odbija zračenje (slika)budući da zračenje koje uđe u tu šupljinu, gotovo da nema šansu da izađe.

Budući da idealno crno tijelo upija sve valne duljine zračenja bez gubitaka, ono isto emitira sve valne duljine zračenja bez gubitaka, ovisno samo o termodinamičkoj temperaturi tog ti-

72


jela (T). Ukupna snaga (P) zračenja apsolutno crnog tijela apsolutne temperature T i ukupne površine A jednaka je (prema Stefan Boltzmannovom zakonu):

4P A Tσ= ⋅ ⋅ (6.1)

Pri tome je σ Stefan Boltzmannova konstanta koja iznosi 5,67⋅10−8 Wm−2K-4.

Apsolutno crno tijelo zrači dakle dostupnu snagu iz izraza 6.1 u svim valnim duljinama (λ) odnos-no frekvencijama (f). Temeljem klasične fizike s kraja 19. i početka 20. stoljeća znanstvenici John William Strutt Rayleigh i James Hopwood Jeans 1900. su izveli matematičku jednadžbu koja iska-zuje spektralnu frekvencijsku gustoću ozračenja crnog tijela:

2

2

2f

f Tgc

σ⋅ ⋅ ⋅=

(6.2)

Vrijednosti dobivene Rayleigh–Jeansovom jednadžbom (izraz 6.2) podudarali su se s pokusima sa zračenjima niske frekvencije, no u potpunosti se razilaze s rezultatima dobivenim u pokusima sa zračenjima visoke frekvencije, odnosno u ultraljubičastom području zračenja gdje izraz 6.2 daje ogromne vrijednosti energija (u kontradikciji sa zakonom o očuvanju energije).

Tako klasična fizika nije uspjela objasniti spektre toplinskog zračenja i taj problem nazvan je ‘ul-traljubičastom katastrofom’ (slika). Upravo rješavanje ovog problema usmjerio je fizičare i ostale znanstvenike k spoznaji fotoelektričnog učinka i posljedično razvitku kvantne mehanike u ranom 20. stoljeću.

Wilhelm Wien je bio na dobrom tragu rješavanja problema uočivši da postoji određena frekvenci-ja (fMAX) kojoj odgovara maksimalna gustoća ozračenja crnoga tijela, te da je ona tim veća, što je temperatura površine crnog tijela veća. To je i formulirao u Wienov zakon uvodeći novu konstan-tu (b), Wienovu konstantu koja iznosi 2,89⋅10−3 mK:

MAXc Tf

b⋅

= (6.3)

Zadatak: Podsjetite se u kakvoj su vezi frekvencija i valna duljina zračenja te na osnovu toga izvedite izraz Wienovog zakona za valnu duljinu.

Na osnovu Wienovog zakona i spektralne valne gustoće ozračenja Sunca (slika)moguće je prib-ližno odrediti temperaturu Sunca.

Može se uočiti da valna duljina (λMAX) kojoj odgovara maksimalna gustoća ozračenja Sunca iznosi oko 0,5 nm iz čega proizlazi da je temperatura na površini Sunca oko 5800 K.

73


Ogoman iskorak napravio je Max Planck koji je 1900. postavio zakon zračenja za crno tijelo i uveo novu konstantu (h), Planckovu konstantu, koja iznosi 6,626⋅10−34 Js. Razlog elektromag-netskog zračenja tijela leži u titranju njegovih električnih naboja, a to titranje može se opisati harmonijskim oscilatorom. Za razliku od klasične teorije, koja zračenje crnog tijela aproksimira s harmonijskim oscilatorom kojemu se energija može mijenjati kontinuirano, Planck je za opisivan-je zračenja crnog tijela pretpostavio da se energija harmonijskog oscilatora može mijenjati samo u diskretnim skokovima ili kvantima. Pri tome svaki kvant frekvencije f ima energiju:

E h f= ⋅ (6.3)

Stoga harmonijski oscilator kojim se modelira crno tijelo za različite frekvencije može poprimati samo cjelobrojne (n) višekratnike energije jednog kvanta, odnosno:

fE n h f= ⋅ ⋅ (6.4)

S druge pak strane pretpostavio je da je pridružena vjerojatnost pojave određenog diskretnog energetskog stanja harmonijskog određena Maxwell-Boltzmannovom statistikom, odnosno pro-porcionalna s:

n h fk Te

− ⋅ ⋅⋅

(6.5)

Pri tome je u izrazu 6.5 k Boltzmannova konstanta i iznosi 1,381·10-23 J/K. Drugim riječima, po-buđivanje nižih energetskih stanja harmonijskog oscilatora ima veću vjerojatnost od pobuđivanja viših energetskih stanja. Iako ga nije u potpunosti objasnio, Planck je značajno pripomogao u rješavanju problema ‘ultraljubičaste katastrofe’.

Zadatak: Skicirajte funkciju f(x) = e-x kako bi lakše razumjeli značenje izraza 6.5.

Albert Einstein je 1905. godine ponudio objašnjnje za sve eksperimentalne činjenice o fotoelek-tričnom učinku koje su do tada zbunjivale znanstvenike. Njegova torija je zapravo proširenje Planckove hipoteze o kvantima energije te dokaz da oni nisu tek matematička fikcija. Tako Ein-stein tvrdi da svako elektromagnetsko zračenje postoji u obliku diskretnih ‘paketa’ elektromag-netske energije, koji se nazivaju kvantima ili fotonima. U interakciji s tvari, foton se ponaša kao čestica i predaje svoju energiju pojedinim elektronima te ih može izbaciti iz metala (slika).

74


Kako je već prije rečeno znanstvenici i istraživači susreli su se već sredinom 19. stoljeća s fenom-enom fotoelektričnog učinka ali nisu ga mogli objasniti. Razlog tomu su zbunjujući rezultati koje su dobivali eksperimentalnim putem, a koji su bili suprotni teorijskim očekivanjima klasične fizike tog doba. Neka od neispunjenih teoretskih očekivanja su bila:

• Očekivanje: Svjetlosti relativno slabog intenziteta (energije) trebati će više vremena za izbacivanje elektrona od svjetlosti jačeg intenziteta zbog potrebe za dugotrajnijim izlag-anjem svjetlosti slabijeg intenziteta. Eksperiment: Ukoliko je došlo do fotoelektričnog učinka on je uvijek bio gotovo trenutan, bez vremenske odgode i to bez obzira na inten-zitet zračenja.

• Očekivanje: Zračenje bilo koje frekvencije izbaciti će elektrone uz dovoljan intenzitet svjetlosti. Eksperiment: Crvena svjetlost (relativno niska frekvencija) nije izbacivala elek-trone bez obzir na intenzitet zračenja. Dodatno, ljubičasta svjetlost (relativno visoka frekvencija) izbacivala je elektrone uz vrlo slab intenzitet, daleko manji od intenziteta crvene svjetlosti koja nije izbacivala elektrone.

• Očekivanje: Nakon početka izbacivanja elektrona daljnje povećanje intenziteta svjetlosti povećavati će izlaznu kinetičku energiju elektrona. Eksperiment: Jači intenzitet svjetlosti uzrokovao je izbacivanje većeg broja elektrona ali svi ne i povećanje njihove kinetičke energije.

Kako bi objasnio navedena neslaganja i predložio odgovarajuću teoretsku podlogu koja se podudara s eksperimentalnim rezultatima Einstein je pretpostavio da za fotone također vrijedi izraz 6.4, odnosno energija pridružena fotonu (Ef) može se odrediti pomoću:

fE h f= ⋅ (6.6)

Slobodni elektroni u blizini površine metala imaju određenu energiju kojom su vezani za metal. Ta se energija naziva energijom vezanja ili potrebnim izlaznim radom (Wi). Kako bi slobodni elek-troni napustili metal, potrebno im je dakle dovesti energiju koja je veća ili jednaka izlaznom radu.

U slučaju da nakon pada na površinu metala foton pogodi elektron, predati će mu svoju energiju (Ef). Ukoliko je ta energija manja od izlaznog rada elektrona neće doći do izbacivanja elektrona. U suprotnom dolazi do fotoelektričnog učinka u kojem se dio predane energije fotona troši za svladavanje izlaznog rada (Wi), a preostali dio pretvara u kinetičku energiju (Ek) izlaznog fotoelek-trona:

f i kE W E= + (6.7)

75


Kinetička energija izlaznog elektrona jednaka je dakle:

k iE h f W= ⋅ − (6.8)

Fotoelektrični učinak može se dakle početi opažati tek kada je energija upadnog fotona upravo jednaka izlaznom radu što znači da je kinetička energija fotoelektrona jednaka nuli. Frekvencija pri kojoj je energija fotona jednaka izlaznom radu je granična frekvencija (f0):

0iWf

h=

(6.9)

Iznos granične frekvencije jednako kao i izlazni rad ovisi o vrsti metala. Za sve frekvencije fotona koje su manje od granične fotoelektričnog učinka neće biti. Za frekvencije fotona veće ili jed-nake graničnoj frekvenciji opaža se fotoelektrični učinak, a kinetička energija izlaznih elektrona linearno je ovisna o frekvenciji, što je u skladu i s eksperimentalnim opažanjima (slika).

Zadatak: Koji od metala sa slike ima veći izlazni rad elektrona, metal A ili B?

Einstein je tako teoretski potpuno objasnio fotoelektrični učinak i ponovno nagnao znanstvenike na raspravu oko karaktera svjetlosti: Ima li svjetlost valni ili čestični karakter? Jednako tako poče-lo se postavljati pitanje: Mogu li čestice imati valni karakter?

Kasniji eksperimenti su pokazali da i svjetlost i elektroni mogu imati svojstva valova i svojstva čestica. Valno-čestični dualizam postao je osnovna činjenica teorije koja je tada nastala i koja se naziva kvantna mehanika. Tako npr. Coptonovo raspršenje ukazuje na čestična svojstva zračenja dok difrakcija elektrona na kristalima ukazuje na valna svojstva elektrona.

Potencijal fotoelektričnog učinka za primjenu u elektroenergetici vrlo je brzo uočen te je započeo razvoj tehnologije proizvodnje električne energije temeljem principa fotoelektričnog učinka. Postrojenja u kojima se električna energija proizvodi korištenjem fotoelektričnog učinka, odnosno izravnom pretvorbom Sunčeve energije u električnu energiju nazivaju se fotonapon-skim elektranama. Budući da se po načinu proizvodnje električne energije drastično razlikuju od ostalih elektrana (npr. nemaju električni generator) još uvijek se ne smatraju do kraja istraženom tehnologijom. Razvoj fotonaponskih elektrana koji je započeo tek početkom 20. stoljeća traje do današnjih dana.

TRENUTNO STANJE

Iako su relativno mlada tehnologija fotonaponske elektrane (FE) već danas zauzimaju značajan dio ukupnih instaliranih kapaciteta za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora energi-je. U fotonaponskim elektranama 2015. godine proizvedeno 1,2 % i oko 5 % ukupne proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora. Ukupni instalirani kapacitet u svim fotonaponskim elek-tranama na svijetu iznosi oko 227 GW. Zanimljiva je činjenica da je samo tijekom 2015. godini u svijetu izgrađeno novih oko 50 GW u FE. Popis zemalja sa najvećim instaliranim kapacitetom u hidroelektranama nalazi se u tablici.

76


Zemlja Instalirani kapacitet (GW)

Kina 43,2

Njemačka 39,6

Japan 33,3

SAD 24,0

Italija 18,9

UK 8,9

Španjolska 7,1

Francuska 6,6

Indija 5,2

Australija 5,0

Svijet 227

Ukupna instalirana snaga svih fotonaponskih elektrana u Republici Hrvatskoj iznosi oko 45 MW, što je oko 1 % ukupne snage svih elektrana na području Republike Hrvatske.

FOTONAPONSKE ELEKTRANE KAO OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE

Budući da fotonaponske elektrane koriste izravno Sunčevu energiju za proizvodnju električne energije one neosporno spadaju pod obnovljive izvore energije. Iz podataka navedenih u proš-lom poglavlju jasno je da je ogroman dostupni potencijal Sunčevog zračenja koje se može isko-ristiti u fotonaposkim elektranama.

Fotonaponske elektrane pri proizvodnji električne energije ne proizvode emisije stakleničkih plinova. Ipak pri proizvodnji sastavnih dijelova i izgradnji fotonaponskih elektrana proizvede se određena količina emisija stakleničkih plinova koju treba uzeti u obzir.

Određeni materijali koji se koriste u suvremenim fotonaponskim ćelijama (kadmij, telur i sl.) mogu imati štetne utjecaje na ljude i okolinu ukoliko dođe do njihovog oslobađanja. Iz te perspektive potrebno je posebno voditi računa pri rukovanju kao i pri odlaganju takvih materijala nakon prestanka korištenja.

Unazad nekoliko godina investicijski troškovi fotonaponskih elektrana dramatično su se sman-jili što je i rezultiralo (uz sustave poticaja) izgradnjom navedenih novih 50 GW u svijetu u 2015. godini što pokazuje značajan zamah ove tehnologije koji se očekuje i u narednim godinama. Iako zbog male prostorne gustoće dostupne energije zahtijevaju značajne prostorne površine, potencijal za izgradnju novih FE je itekako značajan.

Uz sve navedeno treba još spomenuti i nepredvidivu prirodu proizvodnje električne energije iz fotonaponskih elektrana. Razlog tomu je direktna ovisnost izlazne snage o trenutno dostup-nom Sunčevom zračenju. Stoga je poželjan dodatak ovakvim elektrananama određen oblik sk-ladištenja električne energije.

PRINCIP RADA FOTONAPONSKIH ELEKTRANA

Srce fotonaponske elektrane predstavlja fotonaponska ćelija. U njoj se vrši direktna pretvorba energije Sunčevog zračenja u električnu energiju. Za potpuno shvaćanje principa ove pretvorbe energije nužno je predznanje iz područja elektronike i poluvodičkih elemenata. Stoga će proiz-vodnja električne energije u fotonaposkim ćelijama biti prikazana dosta pojednostavljeno.

77



Ukoliko želite nešto detaljnije upoznati osnove izvedbe fotonaponskih ćelija i principa koji ko-riste za proizvodnju električne energije uputno je proučiti sadržaj dostupan na:

http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/solarpanel.html

U osnovi fotonaponska ćelija sastoji se od dvije tanke, kvadratne pločice izrađene od polu-vodičkih materijala različitih svojstava (mogu imati višak (n tip) ili manjak slobodnih elektrona (p tip)) (slika). Slobodnim elektronima se pod tim smatraju elektroni koji nisu u kovalentnim vezama.

Bitno je naglasiti da poluvodička izvedba omogućava stvaranje spontanog električnog polja između dvije pločice (pn spoj ili dioda) koje usmjerava elektrone oslobođene fotoelektričnim učinkom i tako omogućava razdvajanje pozitivnih i negativnih naboja u željenom smjeru. Na taj se način stvara napon u fotonaponskoj ćeliji. Potrebno je naglasiti da postoje i fotonaponske ćelije s većim brojem pn spojeva čime se teži povećati njihova učinkovitost.

Što su izbijeni elektroni bliže mjestu spoja dviju poluvodičkih pločica to je veća vjerojatnost da će ih uspostavljeno električno polje usmjeriti u željenom smjeru. Može se također desiti i pojava rekombinacije, odnosno pojava da jednom izbijeni elektron nađe povoljno mjesto za ponovno ugnježđivanje u jednoj od poluvodičkih pločica te je kao takav neupotrebljiv u smislu proizvodnje električne energije. Ukoliko se priključi teret nagomilani elektroni će strujati kroz njega, drugim riječima poteći će električna struja.

Za definiranje karakterističnih veličina fotonaponske ćelije poslužiti će jednostavni model fo-tonaponske ćelije prikazan na (slika).

Jednostavni model fotonaponske ćelije sastoji se tako od savršenog naponskog izvora kojemu

78


je u paralelu spojena tzv. dioda. Ovo je element koji se često koristi u elektronici i omogućava propuštanje struje samo u jednom smjeru, odnosno smjeru koji definira smjer električnog polja na spoju p i n tipa poluvodičkih elemenata. Ova paralela predstavlja idealnu fotonaponsku ćeliju. Realna fotonaponska ćelija ima određeni konačan otpor prema zemlji (RP) te je njegov iznos obr-nuto razmjeran rasipnoj struji prema zemlji. Taj otpor spaja se paralelno idealnoj fotonaponskoj ćeliji, a posljedica je postojanja lokalnih defekata u pn spoju zbog čega dolazi do gubitaka zbog otjecanja struja. U idealnoj fotonaponskoj ćeliji paralelni otpor RP je beskonačan, ali u realnim su slučajevima struje otjecanja proporcionalne naponu na ćeliji. Serijski otpor (RS) je omski otpor na koji nailazi struja koja teče kroz ćeliju i kroz površinu ćelije prema kontaktima do spoja s prikl-jučkom na vanjski krug. Na iznos serijskog otpora utječe otpor materijala, kontakata, nečistoće i dr. Iznos serijskog otpora nije stalan, mijenja se kako se mijenja i cijela strujno-naponska karak-teristika sunčane ćelije s promjenom temperature i razine ozračenja. Serijski otpor FN ćelije je rezultantni otpor unutrašnjeg omskog otpora FN ćelije i otpora njezinih kontakata. U idealnoj fotonaponskoj (FN) ćeliji paralelni otpor RS je nula.

Utjecaj iznosa paralelnog i serijskog otpora fotonaponske ćelije na njezine strujno naponske karakteristike prikazan je na (slika).

Struja koja će poteći kad su kontakti FN ćelije kratko spojene, odnosno ako je napon između kontakata jednak nuli zove se struja kratkog spoja (IKS). Elektromotorna sila koja se javlja na kon-taktima FN ćelije prilikom otvorenog strujnog kruga (struja I = 0) je napon praznog hoda (UPH) FN ćelije. Te je uz struju kratkog spoja (IKS) najvažniji parametar za opisivanje električne učinkovitosti pojedine FN ćelije. Iznos napona praznog hoda je maksimalni pod punim osvjetljenjem FN ćelije.Struja kratkog spoja i napon praznog hoda FN ćelije su dvije granične točke u strujno-napon-skoj karakteristici FN ćelije (slika) koje se mogu odrediti iz karakteristika FN ćelije dok se ostale točke određuju mjerenjem. Strujno-naponska karakteristika FN diode ovisna je o jakosti Sunčeva račenja (slika).

79


Na slikama su naznačene točke na strujno-naponskim karakteristikama FN diode za koju je njez-ina izlazna snaga maksimalna. Snaga koju daje idealna FN ćelija je veća u odnosu na snagu koju može dati realna (slika).

Sada se može definirati i faktor punjenja (FP) FN ćelije koji je jednak omjeru maksimalne snage realne FN ćelije (PmR) i maksimalne snage idealne FN ćelije (PmI):

mR m m

mI PH KS

P U IFPP U I

⋅= =

⋅ (6.10)

Omjer napona praznog hoda i struje kratkog spoja određuje iznos karakterističnog otpora (RK) FN ćelije:

PHK

KS

URI

= (6.11)

Faktor punjenja pokazuje koliko je stvarna ćelija blizu idealnoj, po karakteristikama, odnosno koliki je utjecaj serijskog otpora FN ćelije. Što je faktor punjenja promatrane FN ćelije bliže 1 to je ona izvedbom bliže idealnoj FN ćeliji i ima veću učinkovitost. Najvažniji efekt koji je posljedica postojanja serijskog otpora je smanjenje faktora punjenja, a pri većim vrijednostima može doći i do smanjenja struje kratkog spoja. Kvalitetne FN ćelije imaju manji serijski otpor, odnosno oštrije koljeno I-U pa se iz njih može izvući i veća snaga.

Učinkovitost FN ćelije (ηFN) predstavlja omjer maksimalne izlazne snage FN ćelije i upadne snage Sunčeva zračenja na FN ćeliju (Pu) koja je određena trenutnim ozračenjem (H) i površinom FN ćelije (A):

m mFN

u

P PP H A

η = =⋅ (6.12)

Učinkovitost komercijalnih FN ćelija ovisi o njihovoj izvedbi i kreće se od svega nekoliko postota-ka do čak 20 %. Od teorijskog maksimuma za silicij od 28 % na 0 °C u laboratoriju je ostvareno 25 %. Praktično se može postići učinkovitost i preko 50 % kombiniranjem više pn spojeva zajedno i drugim naprednim rješenjima. Prosječna vrijednost učinkovitosti današnjih FN ćelija je oko 15 %. Neiskorištena energija Sunčeva zračenja uglavnom se pretvara u toplinsku te zagrijava FN ćeliju što je dodatno nepovoljan učinak budući da porast temperature FN ćelije smanjuje njezinu učinkovitost i to skoro 0,5 % za porast od 1 °C (slika).

80


Promjena temperature utječe dakle na izlaznu snagu FN ćelije i to primarno zbog velike ovisnosti napona FN ćelije o temperaturi. Ovaj negativi temperaturni učinak na učinkovitost FN ćelije pot-ječe od promjene svojstava poluvodičkih materijala kao i zbog utjecaja temperature na električni otpor materijala.FN ćelije zbog svoje izvedbe proizvode dakle istosmjernu DC struju. Kako je rečeno u uvodnim poglavljima istosmjerna struja predstavlja kretanje elektrona u samo jednom smjeru. Pri tome se može vremenski mijenjati intenzitet struje, ali opći smjer kretanja ostaje ne-promjenjiv. U FN ćelijama elektroni se gibaju od poluvodiča tipa p prema poluvodiču tipa n i tako stvaraju istosmjernu struju slika. Dogovorni smjer struje je dakako suprotan. Budući da većina ostalih elektrana koriste princip elektromagnetske indukcije, proizvedena električna energija ug-lavnom je takva da joj napon i struja periodički mijenjaju polaritet, odnosno smjer. U stvarnosti dolazi do promjene smjera kretanja elektrona u vodičima, a takvi sustavi se nazivaju sustavima izmjenične struje odnosno napona.

Kako bi se mogla uklopiti u elektroenergetski sustav, proizvedena istosmjerna struja u FN ćelija-ma treba se prilagoditi obliku i karakteru struje u pripadajućem elektroenergetskom sustavu. To je dakle izmjenični sustav napona i struja odgovarajuće frekvencije. Za tu svrhu koriste se uređaji energetske elektrotehnike, odnosno pretvarači koji istosmjernu oblik struje pretvaraju u odgov-arajući izmjenični oblik uz što je manje moguće gubitke (slika).

81


Takvi uređaji nazivaju se izmjenjivači ili inverteri.

Fotonaponski sustavi se po prirodi sastoje od modularnih jedinica snage od nekoliko W koje se udružuju u sve veće module sve do fotonaponskih elektrana snaga većih od 10 MW. Pri tome se najmanjim modularnim FN jedinicama smatraju FN ćelije snage nekoliko W. Serijskim spajanjem FN modula istih karakteristika postiže se veći izlazni napon dok se njihovim paralelnim spajanjem postiže veća izlazna struja (slika).

Bez obzira na način spajanja grupiranjem FN modula manjih snaga formiraju se FN moduli većih snaga. Tako se kombiniranjem FN ćelija kao najmanjih modularnih jedinica formiraju fotonapon-ski paneli čija je snaga veća od snage FN ćelije proporcionalno broju združenih FN ćelija i iznosi oko 100 W. FN paneli također imaju i odgovarajuću mehaničku čvrstoću i štiti ćelije od utjecaja raznih atmosferskih prilika. FN paneli nadalje se mogu udruživati u veće module koje čine nizove ili polja FN panela itd. (slika).

82


Fotonaponski sustavi prvo su se počeli primjenjivati na lokacijama koje su značajno udaljene od elektroenergetskog sustava budući da pružaju određenu razinu autonomije. U novije vrijeme, uslijed razvoja tehnologije i značajnog smanjenja investicijskih troškova, sve se više grade fo-tonaponske elektrane kao sastavni dijelovi elektroenergetskog sustava. U nastavku teksta će biti opisane obje navedene izvedbe FN sustava s pripadajućim zahtjevima i specifičnostima izvedbe.

AUTONOMNI FOTONAPONSKI SUSTAVI

Fotonaponski sustavi su primjenjivi za napajanje udaljenih potrošača, izdvojenih seoskih en-ergetskih mreža i napajanje različitih telekomunikacijskih, nadzornih, signalizacijskih, mjernih i drugih objekata (slika). Samostalni (autonomni) FN sustavi ne zahtijevaju priključak na električnu mrežu odnosno, kako im i naziv sugerira, mogu raditi neovisno o ostatku elektroenergetskog sustava. Početkom komercijalizacije FN sustava njihova primarna primjena bila je upravo za au-tonomne sustave opskrbe električnom energijom.

JESTE LI ZNALI?

Budući da je energija Sunčeva zračenja značajno veća u svemiru, odnosno iznad atmosfere, fotonaposnki sustavi koriste se dobivanje električne energije na Zemljinim satelitima u orbiti iznad atmosfere .

Kako bi osigurali što bolji stupanj autonomnosti ovi sustavi trebaju imati i određeni spremnik en-ergije-akumulator s pripadajućim regulatorom punjenja i pražnjenja (slika).

Električna energija iz FN modula troši se po potrebi u istosmjernim trošilima, dok se preostala energija pohranjuje u akumulatorskoj bateriji za kasniju upotrebu, odnosno kada ne bude dos-tupnog Sunčevog zračenja.

Zbog postizanja optimalnog rješenja koje uzima u obzir sigurnost opskrbe električnom energi-jom i cijenu investicije kod dimenzioniranja autonomnih FN sustava vrlo je bitno odrediti odgov-arajuću snagu FN polja kao i kapacitet akumulatorske. Tako snagu FN sustava treba prilagoditi trošilima koja se namjeravaju priključiti. Ovakvi sustavi ugradnjom invertera (izmjenjivača) mogu napajati i izmjenična trošila (slika).

Parametri koje treba uzeti u obzir pri dimenzioniranju samostalnog FN sustava su:

• očekivana ozračenost plohe FN modula Sunčevim zračenjem (godišnja, mjesečna itd.);

• period korištenja FN sustava (ljetni, zimski, cjelogodišnji);

• frekvencija korištenja FN sustava (vikend, povremeno ili stalno);

• nazivni napon trošila (12, 24, 48 V DC ili 220-240 V AC);

• karakter trošila (ukupna snaga, prosječno vrijeme korištenja trošila, potrošnja i vrsta) i

• ciljana razina autonomije sustava. Tako je npr. za objekt koji se koristi samo vikendima autonomija FN sustava u trajanju od dva dana sasvim dostatna.

83


Autonomni FN sustavi ponekad se nadopunjavaju pomoćnim sustavima napajanja električnom energijom kao što su dizelski ili benzinski generatori manje snage.

UMREŽENI FOTONAPONSKI SUSTAVI: FOTONAPONSKE ELEKTRANE

Osnovna namjera izgradnje umreženih fotonaponskih elektrana je predaja električne energije proizvedene u FN modulima u javnu elektroenergetsku mrežu po određenoj cijeni. U okviru sus-tava poticanja obnovljivih izvora energije, obično se sva energija proizvedena u FN elektranama predaje u mrežu po poticanoj cijeni, a potrebna električna energija se iz mreže preuzima po nižoj tarifnoj cijeni. FN elektrane mogu biti male (nekoliko kW) u sklopu kućanstava ili velike (nekoliko MW). U nastavku teksta detaljno će se opisivati izvedba velikih FN elektrana budući da je načel-no rješenje malih FN elektrana slično, odnosno nešto jednostavnije.

Osnovna proizvodna jedinica FN elektrane je fotonaponski modul (sastoji se od više FN ćelija) ili panel koji proizvodi istosmjernu struju. Serijskom vezom većeg broja FN modula u FN nizove postiže se željeni napon FN sustava. Slijedi paralelno povezivanje određenog broja nizova FN modula kako bi se postigla željena struja, odnosno definirala izlazna snaga jednog polja FN modula (slika).

Polje FN modula priključuje se na inverter. Za velike FN elektrane korišteni inverteri su obično snaga od 500 do 1500 kW te snagu polja FN modula treba uskladiti sa snagom invertera. Tako optimalni broj FN modula u koji se serijski povezuju u niz kao i broj paralelno povezanih nizova FN modula ovisi o karakteristikama izmjenjivača (nazivni napon i snaga) koji proizvedenu elek-tričnu energiju istosmjernog napona i struje pretvara u električnu energiju izmjeničnog napona i struje frekvencije 50 Hz.

84


S ciljem smanjenja troška ožičenja pri povezivanju velikog broja FN modula i lakše kontrole nad FN elektranom, uobičajeno se nekoliko desetaka FN modula priključuje na tzv. regrupacijski ili sabirni ormar iz kojeg izlaze DC vodovi većeg presjeka koji ukupnu električnu energiju svih ob-jedinjenih FN modula usmjeravaju prema inverteru (slika).

Ovakvi sabirni ormari mogu biti opremljeni nekom vrstom upravljačke opreme kako bi se FN elektrana upravljački podijelila na što manje cjeline zbog povećanja fleksibilnosti pri održavanju i otklanjanju eventualnih kvarova.

FN moduli fizički se smještaju na montažnu konstrukciju, tzv ‘stol’. FN moduli na montažnim kon-strukcijama mogu biti montirani pod fiksnim kutom ili mogu biti smješteni na pokretne konstruk-cije koje prate ‘gibanje’ Sunca i kontinuirano su pod optimalnim kutom s obzirom na upadno zračenje. Na taj način se povećava ukupna ozračenost FN modula Sunčevim zračenjem. Treba imati na umu da su pokretne konstrukcije skuplje od fiksnih pa treba dobro procijeniti isplativost primjene takvih rješenja (slika).

Više stolova s FN modulima postavlja se jedan do drugoga i tako tvore niz stolova. Više takvih paralelnih nizova stolova tvori polje FN modula koje se fizički smješta u odnosu na pripadni in-verter na način koji osigurava optimalno ožičenje (što jeftinije priključivanje FN modula) između FN modula i sabirnih ormara te između sabirnih ormara i invertera. Pri tome se jedan dio ožičenja izvodi na samoj montažnoj konstrukciji (ispod FN modula), a preostali dio se postavlja podzemno.

U slučaju da se FN elektrana sastoji od više polja FN modula, svako od tih polja priključuje se na zasebni inverter u kojem se istosmjerna struja i napon pretvaraju u izmjenične vrijednosti uglav-nom niskog napona.

85


Iz svih invertera u FN elektrani izlaze izmjenični (AC) vodovi koji se priključuju na pripadajuće rasklopno postrojenje s energetskim transformatorom u kojem se proizvedena električna en-ergija transformira na odgovarajuću naponsku razinu prije predaje u elektroenergetsku mrežu. Moguća je i izvedba objedinjenog sustava invertera i transformatora. Tada je svakom inverteru pridružen jedan transformator, a rasklopno postrojenje FN elektrane služi samo kao sabirna toč-ka izvoda svih AC vodova. U rasklopnim postrojenjima ujedno se vrši i mjerenje ukupne preuzete i predane električne energije.

U slučaju da je lokacija FN elektrane značajno udaljena od najbliže točke elektroenergetskog sustava na koju se može priključiti, potrebno je investirati i u izgradnju odgovarajućeg prikl-jučnog voda, bilo nadzemnog, bilo podzemnog.

Načelna shema FN elektrane prikazana je na slici:

Osnovni dijelovi velike FN elektrane su dakle:

• FN moduli fizički i električni povezani u optimalne cjeline,

• montažne konstrukcije za potporu FN modulima (fiksne ili s mogućnošću praćenja Sun-ca),

• sabirni ormari (s ili bez upravljanja),

• sustav DC i AC ožičenja,

• inverteri,

• transformatori,

• rasklopno postrojenje (s ili bez transformatora),

• priključni vod na elektroenergetsku mrežu i

• upravljački i nadzorni sustavi FN elektrane smješteni u zasebnom prostoru

Manji umreženi FN sustavi, snage od nekoliko kW do nekoliko desetaka kW koriste se u pravilu u domaćinstvima, a FN moduli se postavljaju uglavnom na krovove kuća. Kod manjih FN sustava razlikuju se pasivni i aktivni sustavi i uobičajeno se koriste akumulatorske baterije. Pasivni mrežni FN sustavi električnu energiju uzimaju iz mreže u razdobljima kada FN moduli ne mogu proizvesti dovoljne količine električne energije, primjerice noću kada su istodobno akumulatori električne energije prazni (slika).

86


Aktivni mrežni FN sustavi električnu energiju iz mreže uzimaju u slučaju većih potreba, a predaju je u mrežu je u slučaju viškova električne energije proizvedene u FN modulima (slika). Aktivni mrežni FN sustavi za razliku od pasivnih trebaju i dodatno brojilo za predanu električnu energiju.

Manji umreženi FN sustavi sastoje se uglavnom od istih elemenata kao i autonomni FN sustavi uz potrebu za brojilom preuzete električne energije iz mreže i po potrebi (kod aktivnih FN sustava) dodatnim brojilom predane električne energije u mrežu (slika). U ovom slučaju brojila, odnosno mjerni uređaji za električnu energiju predstavljaju susretna postrojenja između potrošača/proiz-vođača i elektroenergetskog sustava.

VRSTE FOTONAPONSKIH ĆELIJA

Postoji više vrsta izvedbi FN ćelija koje se razlikuju prema materijalu koji se koristi za niihovu izradu kao i prema tehnologijama izrade. Današnje FN ćelije mogu se podijeliti na način prikazan slikom.

87


Kristali su krutine sastavljena od atoma, iona ili molekula u kojima se ponavlja njihov trodimenzi-onalni raspored s pravilnom međusobnom udaljenošću i tako nastaje kristalna rešetku. Materijali od kojih se izrađuju FN ćelije mogu po fizikalnim osobinama biti u formi monokristala, polikristala ili kao amorfne tvari. Monokristalna FN ćelija je nastala temeljem samo jednog kristala, a uko-liko se u procesu izrade FN ćelija formira više kristala i tada je riječ o polikristalnim FN ćelijama. Amorfne tvari karakterizira izrazito nepravilan raspored atoma u odnosu na kristale.

Trenutno su izvedbe FN ćelija koje koriste kristalni silicij tržišno najzastupljenije (oko 85-90 %), a ujedno su i najučinkovitije (14 d0 20 %). Izvedbe FN ćelija koje koriste amorfni silicij značajno su jeftinije od kristalnih izvedbi zbog jednostavnije izrade. Mana im je prilično niska učinkovitost (4 do 8 %). Nešto bolju učinkovitost (oko 10 %) postižu FN ćelije s amorfnim silicijem u višeslojnoj izvedbi (veći broj pn spojeva). Izvedbe FN ćelija s amorfnim silicije uobičajeno se izvode u tehnici tzv. tankog filma. Na taj način smanjuje se količina potrebnog materijala, ali i učinkovitost pretvor-be energije. Od ostalih materijala, odnosno kombinacija materijala koje se koriste za izradu FN ćelija u tehnici tankog filma mogu se navesti kombinacije kadmija i telura (CdTe) te bakra, indija, galija i selena (CIS i CIGS) kojima učinkovitost doseže do oko 17 %.

Organske FN ćelije su nova tehnologija koja obećava znatno smanjenje cijene u usporedbi sa silicijem u tankom filmu budući da mogu biti obrađene iz otopine što omogućava jednostavniji kotrljajući proces izrade. Organske FN ćelije nemaju karakteristiku stvaranja spontanog elek-tričnog polja kao ostale izvedbe koje koriste poluvodiče. Ipak način pretvorbe energije je sličan budući da se aktivno područje organske FN ćelije sastoji od dva materijala od kojih je jedan donor elektrona, a drugi njihov primatelj. Razvoj organskih ćelija tek se očekuje budući da su trenutno u fazi ispitivanja koja idu u smjeru korištenja u fasadnim integriranim sustavima, koji se pokazuju kao kvalitetna rješenja u svim svjetlosnim zračenjima i svim temperaturnim uvjetima.

Za razliku od ostalih FN ćelija, fokusirajuća izvedba omogućava značajno povećanje učinkov-itosti (do oko 35 %) budući da koristi princip fokusiranja Sunčevog zračenja s veće površine i usmjerava ga na FN ćeliju koja je manje površine (slika). Komparativne prednosti ove tehnologije su: manje materijala za izradu FN ćelija za iskorištavanje iste količine Sunčevog zračenja; potiče korištenje skupih i visokoučinkovitih višeslojnih FN ćelija; i manja ovisnost o raspoloživosti silicija i sličnih materijala budući da se koriste većinom dobro poznati i dostupni optički materijali i pou-zdane tehnologije.

88


V. ENERGIJA VJETRA

Energija vjetra trenutno je drugi najzastupljeniji obnovljivi izvor energije koji se koristi za proiz-vodnju električne energije, odmah iza energije vode. Iako se pretvorba energije vjetra u elek-tričnu energiju značajnije počela primjenjivati tek prije nekoliko desetljeća, ljudi od davnina ko-riste ovu lako dostupnu i besplatu energiju.

POVIJEST KORIŠTENJA ENERGIJE VJETRA

Hrabri i smioni avanturisti i istraživači prvi su svoje živote povjerili ćudljivoj i nepredvidivoj naravi vjetra kada su postavili jedra na brodove i krenuli na daleka putovanja u nepoznato. Iskorišta-vanje energije vjetra za plovidbu brodovima s jedrima smatra se prvim korisnim oblikom energije dobivenim iz energije vode. Osim za plovidbu i istraživanja ubrzo su se ovakvi jedrenjaci počeli koristiti i za prijenos i trgovanje različitim dobrima. Smatra se da se jedrenjaci koriste već više od 5 tisućljeća i pri tome su od davnina do današnjih dana zadržali isti princip iskorištavanja svepri-sutne energije vjetra. Otprilike u isto vrijeme drevni arhitekti su pri dizajniranju građevina počeli u obzir uzimati uočene dominantne smjerove i jačine vjetra kako bi postigli odgovarajuću prirodnu ventilaciju građevina.

U 1. stoljeću nove ere grčki inženjer Heron Aleksandrijski izradio je ‘vjetreni rotor’ za pokretan-je mehanizma orgulja koji se smatra najranijim poznatim slučajem korištenja energije vjetra za pokretanje nekog stroja putem rotora. Na prvo značajnije korištenje energije vjetra za obavljanje korisnog mehaničkog rada trebalo se pričekati do pojave vjetrom pogonjenih mlinova. Smatra se da prve vjetrenjače, odnosno mlinovi na pogon energije vjetra, datiraju između 5. i 9. stoljeća nove ere, a izradili su ih Perzijanci. Te prve vjetrenjače imale su vertikalnu os (slično kao i prva vodna kola zbog jednostavnije izvedbe osovine koja ne zahtijeva sustav prijenosa) vrtnje i imale su pravokutne lopatice s jedrima (slika).

Osim u mlinovima energija vjetra se koristila i za pumpanje vode. Usavršavanjem tehnike ko-rištenja vjetra za mljevenje žitarica rastao je broj vjetrenjača te su se one posljedično proširile prvo prema Bliskom Istoku, a potom i prema Europi. Trgovci i križari koji su se vraćali iz područja Bliskog Istoka bili su ti koji su donijeli u Europu vijest o mogućem načinu korištenja energije vjetra. Krajem 12. stoljeća u sjeverozapadnoj Europi su u širokoj primjeni vjetrenjače s horizon-talnom osi vrtnje. Mnoge od tadašnjih vjetrenjače i danas postoje kao znamenitosti, posebice u Nizozemskoj. Otprilike u isto vrijeme u Kini i na Siciliji vjetrenjače se koriste za pumpanje morske vode za potrebe proizvodnje soli. Budući da su europske vjetrenjače s horizontalnom osi kostrukcijski bile značajno različite od onih koje vjetrenjača s vertikalnom osi koje su koristili Perzijanci i njihovi susjedi, može se smatrati da su to zapravo dva potpuno odvojena i neovisna

89


otkrića. Kako je u srednjovjekovnoj Velikoj Britaniji energija vode u vodotocima i bila rezervirana za plemstvo, niži društveni staleži objeručke su prigrlili dostupnu energiju vjetra kao vrlo važan izvor energije. Do 14. stoljeća Nizozemci su toliko usavršili korištenje energije vjetra da su prila-godili vjetrenjače za potrebe isušivanja jezera i močvara u delti Rajne kako bi si osigurali što više obradive površine. Doseljenici zemalja Novog svijeta su iz Europe prenijeli iskustva u radu s vjetrenjačama. Tako u 19. stoljeću u SAD-u počinje korištenje vjetrenjača za crpljenje vode za farme i rančeve.

Nakon otkrića električne energije počinje se ispitivati primjena energije vjetra za proizvodnju iste, no tek odnedavno je takva proizvodnja električne energije u značajnom uzletu. Prvi vjetro-agregat, odnosno prvu vjetrenjaču koja je pretvarala energiju vjetra u električnu energiju izradio je 1887. godine škotski profesor James Blyth. taj vjetroagregat bio je visok 10 m i imao je plat-nena jedra, a korišten je za osvjetljavanje prosfesorove vikendice koja je tako postala prva kuća na svijetu koja se napajala električnom energijom proizvedenom iz energije vjetra. Gotovo u isto vrijeme u SAD-u je Chrarles F. Brush izradio nešto veći vjetroagregat koji je imao rotor promjera 17 m i bio je postavljen na 18 m visoki stup, te je razvijao snagu od 12 kW. Zanimljivost ovog vjet-roagregata je veliki broj lopatica u usporedbi s današnjim modernim vjetroagregatima (slika).

JESTE LI ZNALI?

Jedan od prvih vjtroagregata, Brushov vjetroagregat, se sastojao od 144 lopatice.

Zadatak: Koliko lopatica imaju moderni vjetroagregati?

Danski znanstvenik Poul la Cour 1891. godine razvio je prvi vjetroagregat koji primjenjuje principe aerodinamike i značajno je smanjio broj lopatica rotora. Električna energija koju je proizvodio koristila se u srednjoj školi u mjestu Askov za proizvodnju vodika u laboratorijima te za rasvjetu iste škole. Ubrzo je izumio i regulator kojim je ustabilio izlaznu električnu snagu vjetroagregata što je omogućilo širu primjenu za rasvjetu cijelog mjesta Askov.

Tako je Poul la Cour prva osoba koja je zaključila da je vjetroagregat koji ima rotor s manje lopati-ca i brže se vrti učinkovitiji od prethodnih vjetroagregata s rotorom koji se sporije vrti jer ima veliki

90


broj lopatica. U čast la Couru i njegovom izumu izdana je i poštanska markica (slika).

Do kraja Drugog Svjetskog rata Danskom su se proširili vjetroagregati snage 25 kW, no jefitna i vrlo dostupna fosilna goriva te znatno veće snage i ispitana tehnologija termoelektrana bile su tada ipak prevelika tržišna konkurencija pa se investirtori teško odlučuju na izgradnju vjetroag-regata. Stoga je do energetske krize 1970-tih daljnji razvoj vjetroagregata i industrije vjetra je bio značajno usporen.

Francuski inženjer Georges Jean Marie Darrieus 1931. godine patentirao je Darrieus vjetroag-regat (slika). Taj tip vjetroagregata imao je vertikalnu os vrtnje rotora što omogućava korištenje vjetra iz svih smjerova i bez sustava zakretanja, a oprema generatora i mjenjačke kutije može se postaviti na nivo zemlje umjesto na vrh tornja vjetroagregata. Ovakav tip vjetroagregata koristi se i danas za specijalne svrhe (npr. na brodovima) ali ni približno čsto kao vjetroagregat s hori-zontalnom osi vrtnje rotora.

Iste godine u SSSR-u u mjestu Balaklava (blizu Jalte na poluotoku Krimu) izgrađen je vjetroagre-gat WIME-3D, prethodnik modernih velikih vjetroagregata s horizontalnom osi. Taj vjetroagregat imao je mogućnost priključka na elektroenergetsku mrežu i imao je snagu 100 kW. Prvi vjetroag-regat snage preko 1 MW (vjetroagregat Smith-Putnam snage 1,25 MW) izgrađen je 1941. godine u mjestu Castleton u SAD-u.

Taj impresivni vjetroagregat radio je nešto više od 1000 sati nakon čega je došlo do puknuća lopatice uslijed velike sile te nedovoljnog ojačanja i materijala na slaboj točki lopatice. Budući da se vjetroagregati sličnog raspona snage i dimenzija pojavljuju tek pred kraj 20. stoljeća, ovaj vjet-roagregat s pravom se smatra pretečom modernih vjetroagregata i pravim pionirskim pothvatom.

Danac Johannes Juul, kojemu je Poul la Cour bio profesor, 1957. godine izradio je vjetroagregat s tri lopatice, horizontalnom osi vrtnje, okrenut u smjeru vjetra i s pasivnom regulacijom snage. Također je patentirao i sustav za zaustavljanje vrtnje lopatica u nuždi.

U narednim godinama uslijedilo je usavršavanje tog tipa vjetroagregata, te mu je povećavan stupanj iskorištenja. Zbog toga većina današnjih komercijalnih vjetroagregata sliče ‘Danskom tipu’ vjetroagregata kojega je izradio Juul.

Značajnije iskorištavanje energije vjetra za proizvodnju električne energije započinje kao odgov-or na svjetsku energetsku i naftnu krizu iz 1973. godine. Od tada pa sve do današnjih dana snaga i dimenzije vjetroagregata su u stalnom porastu (slika).

91


JESTE LI ZNALI?

Tijekom zadnjih 30 godina snaga pojedinačnog vjetroagregata porasla je oko 100 puta, a di-menzije oko 10 puta.

VJETAR I NJEGOVA ENERGIJA

Kako je već rečeno velika većina obnovljive energije dolazi od energije Sunčevog zračenja. Oko 1 do 2 % Sunčeve energije koja dolazi do Zemlje pretvara se u energiju vjetra što je oko 50 do 100 puta više od energije pretvorene u biomasu u svim biljakama na Zemlji. Iako nije vidljiv direk-tno golim okom, vjetar, odnosno strujanje zraka, moguće je uočiti kroz posljedice koje uzrokuje (njihanje grana, dizanje prašine i sl.). No kako vjetar zapravo nastaje? Kao smjerokaz prema odgovoru mogu poslužiti neki primjeri iz svakodnevnog života.

Tako je primjerice pri kihanju kulturan i zdravstveno odgovoran običaj staviti ruku na usta kako bi zadržali struju zraka iz usta i tako spriječili eventualno širenje zaraze. S druge pak strane svima je normalna pojava da prašina i ostali sitniji ostatci bez problema ‹nestaju› u cijevi usisivača. Iako su naoko različite, obje navedene pojave temelje se na razlici tlakova zraka, bez obzira da li se zrak ispuhuje ili uvlači.

Zrak je smjesa različitih plinova (najvećim djelom dušika i kisika) i ponaša se kao fluid. Čestice zra-ka tako se mogu gibati iz jednog mjesta ka drugomu i to od mjesta višeg tlaka prema mjestu nižeg tlaka zraka. Vjetar je dakle hori-zontalno gibanje velike količine zraka od mjesta višeg tlaka pre-ma mjestu nižeg tlaka. Sunčevo zračenje nejednoliko zagrijava ra-zličite lokacije na Zemljinoj površi-ni. Razlozi za to su brojni kao na

92


primjer izmjena dana i noći, promjenjiva naoblaka, geografska obilježja (planine, nizine, vodene ili kopnene površine, vegetacija) i dr. Stoga se javljaju značajnje razlike u temperaturi udaljenih lokacija na Zemljinoj površini, a te razlike se očituju i u razlici u temperaturama zraka između tih lokacija (slika).

Budući da se zagrijavanjem smanjuje gustoća zraka, topliji i rijeđi zrak počinje se dizati uvis i tako stvara područje niskog tlaka zraka. Nasuprot tome hladniji raz tone i zadržava se pri površini Zemlje te tako stvara područje visokog tlaka zraka. Pojava u kojoj hladniji i gušći zrak zamjenjuje topliji i rijeđi zrak koji se diže u vis naziva se konvekcija, a energija posljedičnog strujanja naziva se konvekcijskom strujom.

Upravo ta energija je energija vjetra koji je nastao kao posljedica razlike u tlakovima zraka na različitim lokacijama. Budući da su razlike u tlaku zraka konstantno prisutne vjetar je učestala pojava kojemu intezitet između ostalog ovisi i o razlici tlakova koja ga je uzrokovala.

Vjetrovi se prije svega razlikuju po brzini kojom pušu, a brzina vjetra mjeri se anemometrom (slika). Postoji i druga metoda koja služi za procjenu brzine vjetra u ovisnosti o vidljivim poslje-dicama koje uzrokuje vjetar na okolinu.

Ta metoda određivanja brzine vjetra bez upotrebe mjernih instrumenata temelji se na tzv. Beau-fortovoj ljestvici. Ta ljestvica dijeli se na 13 stupnjeva, a predložio ju je 1805. godine britanski pomorski admiral Sir Francis Beaufort.

Osim brzine vjetra, za iskorištavanje njegove energije bitno je poznavati i dominantni smjer vjetra. Smjer vjetra se označava prema strani svijeta odakle puše, odnosno kazuje iz kojeg sm-jera dolazi zrak u struji vjetra. Za određivanje smjera vjetra koristi se tzv. vjetrokaz.

Vjetar na nekoj lokaciji vrlo rijetko puše stalnom brzinom odnosno uobičajeno mu je svojstvo da često mijenja smjer i brzinu. U tom smislu izuzetkom se mogu smatrati stalni globalni vjetrovi kao što su npr. monsuni.

Stoga je za procjenu potencijala energije vjetra ne nekoj lokaciji poželjno prikupiti podatke o izmjerenim brzinama i smjerovima vjetra za što duži vremenski period i sa što boljom rezolucijom mjerenja (što manji vremenski interval između dva uzastopna mjerenja).

Na temelju tih prikupljenih podataka moguće je odrediti udjele te prosječne kao i maksimalne brzine (mjesečne, godišnje) vjetra iz različitih smjerova. Za prikaz tako dobivenih podataka o vjetru koristi se ruža vjetrova s naznačenim stranama svijeta kao npr. prema (slika).

93


Energija vjetra se pomoću vjetroagregata (o njihovoj izvedbi više u slijedećem poglavlju) pret-vara u električnu energiju . U vjetroagregatima se sila vjetra pretvara u okretni moment koji djelu-je na lopatice rotora. Količina energije koju vjetar prenosi na rotor vjetroagregata ovisi o:

• površini kruga koji opisuje rotor prilikom okretanja (A),

94


• brzini vjetra (vZ) i

• gustoći zraka (ρZ).

Pri normalnom atmosferskom tlaku pri temperaturi od 15 °C gustoća zraka na morskoj razini iznosi otprilike 1,225 kg/m3. Osim tlaka i temperature zraka na njegovu gustoću utječu vlažnost zraka i nadmorska visina. Tako je na višim nadmor-skim visinama tlak zraka je niži, pa je zrak rjeđi dok pov-ećanje vlažnosti zraka povećava njegovu gustoću. Budući da sam vjetroagregat utječe na iskrivljavanje putanje vjetra nemoguće je iskoristiti svu dostupnu energiju vjetra. Maksi-malna teorijska energija vjetra (EMAXt), odnosno struje zraka mase mZ jednaka je kinetičkoj energiji vjetra (EkZ) koja se računa prema:

212MAXt kZ Z ZE E m v= = ⋅ ⋅

(7.1)

Poznavajući volumen zraka koji prolazi u jedinici vremena (VZ) i gustoću zraka moguće je izraz 7.1 zapisati kao:

212MAX Z Z ZE V vρ= ⋅ ⋅ ⋅

(7.2)

Nadalje vrijedi da je:

Z ZV A v= ⋅ (7.3)

iz čega proizlazi slijedeći izraz za maksimalnu teorijsku energiju vjetra u jedinici vremena (snagu, PMAXt):

312MAXt Z ZP A vρ= ⋅ ⋅ ⋅

(7.4)

Dakle, maksimalna teorijska energija vjetra ovisi o kubu brzine vjetra. Ova ukupna kinetička en-ergija vjetra ne može se u potpunosti iskoristiti, jer zrak mora dalje strujati kako bi načinio mjesta onome koji dolazi za njime.

VRSTE VJETROVA

Vjetrovi se s obzirom na područje na kojem se pojavljuju dijele na lokalne i globalne, a s obzirom na smjer i brzinu na stalne i promjenjive vjetrove. Vjetrovi koji pušu u istom pravcu preko cijele godine nazivaju se stalni vjetrovi. Njih povremeno mogu razbiti lokalni vjetrovi koji mogu puhati iz raznih smjerova. Ovi lokalni vjetrovi nastaju pri značajnom prodoru hladnog zraka visokog tlaka ili toplog zraka niskog tlaka. Lokalni vjetrovi su uglavnom prolaznog i promjenjivog karaktera, a po njihovom prestanku ponovno se javljaju stalni vjetrovi.

Local winds are those that are created as a result of scenery such as mountains, vegetation, wa-ter bodies and so on. They usually change very often and the weather forecast people talk about this kind on the TV every day. They can move from mild to extreme winds in just hours. Good examples of local winds are sea breezes and land breezes, and mountain and valley breezes. Local winds cover very short distances.

Lokalni vjetrovi nastaju uslijed utjecaja karakteristika krajolika kao što su planine, vegetacija, vodene površine kao i uslijed dnevnog zagrijavanja ili hlađenja Zemlje. U tu skupinu vjetrova

95


spadaju povjetarci s kopna ili s mora. Danju hladni zrak s mora struji prema kopnu kao morski povjetarac, a noću, kad je more toplije, hladniji zrak se kreće prema moru kao povjetarac s kop-na. Neki od lokalnih vjetrova u našim krajevima su:

• bura (SI) najjači vjetar na Jadranu, puše s kopna preko planina na more, vrlo promjenjiva i puše na mahove,

• burin (SSI) puše noću s kopna na sjevernome Jadranu,

• jugo (JI) uglavnom donosi kišu i loše vrijeme,

• maestral (SZ) rashlađuje popodne u toplim danima, vjetar lijepog vremena,

• tramnotana (S) hladan, ličan buri, prilično stabilan.

Globalni sustavi vjetrova počinju na ekvatoru gdje je globalno područje niskog tlaka zraka zbog iznimno visokih temperatura tijekom cijele godine. Iz područja oko ekvatora topli zrak se diže i kreće se prema hladnim polovima koji su globalno područja visokog tlaka zraka. Ipak vjetarovi ne pušu konstantno od polova prema ekvatoru kako bi se moglo isprva očekivati. Razlog tomu su postojanje pojasa visokog tlaka zraka na oko 30° sjeverne i južne geografske širine te pojasa niskog tlaka zraka na oko 60° sjeverne i južne geografske širine.

Zbog zemljine rotacije, na svako tijelo koje se kreće na sjevernoj Zemljinoj hemisferi djeluje sila usmjerena prema desno u odnosu na smjer gibanja. Na južnoj Zemljinoj hemisferi situacija je obrnuta, odnosno na tijelo koje se kreće djeluje sila prema lijevo u odnosu na smjer gibanja. Ta pojava iskrivljenja smjera gibanja je poznata kao Coriolisova sila. Ova sila je to izraženija što je gibanje bliže polovima Zemlje dok se u područjima oko ekvatora gotovo i ne može zapaziti. Budući da nastaje uslijed rotacije Zemlje koja nema veliku brzinu (tek jedan okret u danu) Co-riolisova sila nema veliki utjecaj. Ipak kod gibanja velikih masa kao što su vodene mase i mase zraka u gibanju ova sila može se jasno manifestirati. Zbog toga primjerice na sjevernoj Zemljinoj hemisferi vjetar ima smjer rotacije obrnut smjeru kazaljke na satu oko podrujčad niskog tlaka (slika). S druge pak strane na južnoj hemisferi vjetar ima smjer rotacije u smjeru kazaljke na satu u podrujču niskog tlaka.

Globalni vjetrovi djele se na (slika): pasate (eng. trade winds), zapadne vjetrove (eng. westerlies) i polarne istočne vjetrove (eng. polar easterlies).

Pasati su vjetrovi koji pušu prema ekvatoru na obje Zemljine hemisfere i to u pojasevima između 0° i 30° geografske širine. Polarni istočni vjetrovi pušu od polova prema ekvatoru na obje Zem-ljine hemisfere i to u pojasevima između 60° i 90° geografske širine. I pasati i zapadni vjetrovi zbog utjecaja coriolisove sile na sjevernoj hemisferi skreću udesno pa su SI smjera dok na južnoj hemisferi skreću ulijevo pa su JI smjera.

96


Zapadni vjetrovi pušu od ekvatoru prema polovima na obje Zemljine hemisfere i to u pojasevima između 30° i 60° geografske širine. Zbog utjecaja coriolisove sile na sjevernoj hemisferi skreću udesno pa su JZ smjera dok na južnoj hemisferi skreću ulijevo pa su SZ smjera.

Jeste li znali?

Globalni vjetrovi na južnoj Zemljinoj hemisferi konstantniji su i brži od istih vjetrova na sjevernoj Zemljinoj hemisferi. Razlog tomu je značajno veća površina oceana na južnoj hemisferi koji ne pružaju značajan otpor strujanju vjetra kao kopnene površine.

UTJECAJ GEOGRAFSKIH OBILJEŽJA I TERENA NA VJETAR

Geografska obilježja mogu biti direktan uzrok povjetaraca. Jedan od takvih povjetaraca je onaj između kopna i vodenih površina (primarno mora) na priobalnim područjima (slika).

Razlog nastanka ovih povjetaraca je u nejednakom zagrijavanju vodenih i kopnenih površina. Budući da se kopno u odnosu na vodenu površinu značajno brže zagrijava i hladi ono je tijekom vrućeg dana područje nižeg tlaka zraka u odnosu na vodenu površinu, a tijekom noći područje višeg tlaka zraka u odnosu na vodenu površinu. Stoga će tijekom dana vjetar puhati prema ko-pnu dok će noću puhati s kopna.

97


Druga vrsta povjetarca uzrokovanog geografskim obilježjima je povjetarac između planina i nizina (slika). Tijekom dana nejadnako zagrijavanje zraka iznad planine i nizine uzrokovati će stvaranje polja niskog tlaka zraka na vrhu planine i polja visokog tlaka zraka u nizini pa će vjetar puhati iz nizine prema planini. Noću se zbog nižih temperatura u planinskim krajevima kreira up-ravo suprotna situacija pa vjetar puše s planine prema nizini.

Na jakost vjetra uz odnos tlakova zraka utječe i konfiguracija površinskog terena, prisustvo prirod-nih i umjetnih prepreka i vegetacija na površini terena. Navedene pojave mogu se objediniti za-jedničkim pojmom – ‘trenje vjetra’ s površinom Zemlje, odnosno hrapavost Zemljine površine.

Česta je kriva pretpostavka da bi se postigao bolji efekt postavljanjem turbina na sam rub neke strme litice (slika). Naime litica stvara turbulenciju i usporava vjetar čak i prije nego što dolazi do same litice, te znatno smanjuje životni vijek turbine zbog pojačanog trošenja uslijed turbulencije. Uko-liko je nagib litice blaži, a padina zaobljenija postigli bi se puno bolji uvjeti za postavljanje turbina jer bi u tom slučaju došlo do efekta ubrzanja vjetra.

U područjima s nejednakim izgledom terena i iza prepreka poput zgrada, dolazi do turbulencije s vrlo nepravilnim strujanjima vjetra i vrtlozima. Turbulencija smanjuje mogućnost iskorištavanja energije vjetra, te uzrokuje veće trošenje turbina (slika).

98


Površine mora i jezera su glatke te je pri konstantnoj brzini vjetra nepravilnost vodenih površi-na vrlo mala. Ipak pri većim brzinama vjetra dio energije vjetra troši na stvaranje valova što čini vodenu površinu nepravilnom. Budući da su nepravilnosti, a samim time i trenje vjetra, na mor-skoj površini vrlo male, brzina vjetra se ne mjenja značajno s visinom iznad površine pa visina osovine turbine na moru u pravilu može biti niža nego na kopnu.

U vertikalnom presjeku brzina vjetra sasvim općenito smanjuje se u prema površini Zemlje te se podrazumijeva da na samoj površini brzina vjetra potpuno isčezava uslijed sile trenja koja uspo-rava strujanje zračnog fluida. Na visinama od nekoliko kilometara karakteristike površine Zemlje gotovo da i nemaju više neki mjerljivi utjecaj na vjetar.

Hrapavost površine ima dakle veliki utjecaj na brzinu vjetra pa tako s porastom hrapavosti raste i otpor te se vjetar usporava. Tako primjerice šume i veliki gradovi zbog velike hrapavosti površine više usporavaju vjetar u usporedbi s velikim betonskim površinama na aerodromima. Vodene površine su još uglađenije od betonskih pa sukladno tome imaju još manji utjecaj na vjetar zbog zanemarive hrapavosti, dok visoka trava i grmlje imaju znatan utjecaj na brzinu vjetra.

Budući da je relativno skupo izvoditi mjerenja na velikim visinama, temeljem dostupnih meteo-roloških mjerenja na standardnim visinama od 10 metara iznad tla i s pripadnim faktorom hrapa-vosti moguće je računski procijeniti brzinu vjetra na potrebnoj visini od tla. Brzina vjetra (v) na nekoj traženoj visini (z) uz poznatu brzinu (vr) na nekoj drugoj visini (zr) može se odrediti pomoću eksponencijalnog ili logaritamskog zakona. Potrebno je naglasiti da ovi zakoni pojednostavljuju raspodjelu brzine vjetra s visinom jer ne uzimaju u obzir efekt topografije terena i moguće pre-preke, promjene u hrapavosti kao i promjene stabilnosti atmosfere. Stoga su zakoni primjenjivi za homogeni teren i atmosfersku stabilnost. Promjena profila brzine vjetra po vertikali naziva se vertikalni gradijent brzine vjetra (slika).

99


Vertikalni gradijent brzine vjetra u eksponencijalnom obliku računa se kao:

0r

r

z zv vz

α −

= ⋅ (7.5)

Vertikalni gradijent brzine vjetra u logaritamskom obliku računa se kao:

0

0

ln

lnr

r

zz

v vz

z

= ⋅ (7.6)

Pri tome je u izrazima 7.5 i 7.6:

• z0: visina iznad sloja trenja (slika) i

• α: koeficijent hrapavosti površine (od 0,1 do 0,32).

Vrijednosti visine iznad sloja trenja i koeficijenta hrapavosti nekih karakterističnih površina Zem-lje dane su u tablici:

100


Na slici je dan primjer prikaza trajanja pojednih brzina vjetra (Weibullova distribucija) za 4 različite visine. Jasno je dakle da je trajanje nižih brzina vjetra veće na nižim visinama od tla, dok je trajanje viših brzina veće na većoj visini od tla. Stoga je radi veće dostupne energije vjetra, te posljedično veće proizvodnje električne energije, težnja postaviti turbine vjetroagregata što je moguće više. Dodatna prednost postavljanja osi turbine na veću visinu je i mogućnost postavl-janja dužih lopatica čime se povećava maksimalna izlazna snaga vjetroagregata.

VJETROAGREGAT I VJETROELEKTRANA

Prethodno poglavlje pojasnilo je način formiranja vjetra i porijeklo energije vjetra. Također je dan i povijesni pregled razvoja metoda korištenja energije vjetra koja se u današnje vrijeme sve značajnije koristi za proizvodnju električne energije pomoću vjetroagregata, uređaja koji su čes-to spominjani u prošlom poglavlju.

Vjetroagregati zapravo koriste sličan princip kao vjetrenjače koje služe kao mlinovi pa se može naivno reći da su vjetroagregati zapravo vjetrenjače koje proizvode električnu energiju. Činjen-ica je dakako da su moderni vjetroagregati, o kojima će biti riječi u ovom poglavlju, kudikamo sofisticiraniji uređaji od srednjovjekovnih vjetrenjača. Budući da su snage pojedninačnih vjetro-agregata (VA) danas uglavnom manje od 5 MW povezivanjem više vjetroagregata na istoj lokaciji formira se vjetroelektrana veće snage.

TRENUTNO STANJE

Premda je značajniji razvoj vjetroelektrana (VE) započeo tek nakon naftne krize 1973. godine one su danas prema instaliranom kapacitetu za proizvodnju električne energije drugi najzastupljeniji obnovljivi izvor, odmah iza hidroelektrana. U vjetroelektranama je 2015. godine proizvedeno 3,7 % ukupne i oko 15,6 % električne energije iz obnovljivih izvora. Ukupni instalirani kapacitet u svim vjetroelektranama na svijetu iznosi oko 433 GW. Tijekom 2015. godine u svijetu je izgrađe-no novih oko 63 GW u VE što dovoljno govori o trenutnom zamahu u kojem se nalazi industrija vjetra. Popis zemalja s najvećim instaliranim kapacitetom u vjetroelektranama nalazi se u tablici.

101



Kina 129,3

SAD 72,6

Njemačka 44,9

Indija 25,1

Španjolska 23,0

UK 14,2

Kanada 11,2

Francuska 10,4

Italija 9,1

Brazil 8,7

Svijet 433

Ukupna instalirana snaga svih vjetroelektrana u Republici Hrvatskoj iznosi oko 418 MW, što je oko 10 % ukupne snage svih elektrana na području Republike Hrvatske.

VJETROELEKTRANE KAO OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE

Vjetroelektrane pretvaraju kinetičku energiju struje zraka u električnu energiju. Budući da vjetar nastaje kao posljedica različitih tlakova zraka uslijed nejednako zagrijanih površina Zemlje, odnosno kao posljedica Sunčevog zračenja, vjetroelektrane se ubrajaju u obnovljive izvore en-ergije.

Pri pretvorbi energije vjetra u električnu energiju vjetroelektrane ne proizvode emisije stak-leničkih plinova. Ipak pri proizvodnji sastavnih dijelova i izgradnji vjetroelektrana proizvede se određena količina neizbježnih emisija stakleničkih plinova koju treba uzeti u obzir.

Za razliku od fotonaponskih elektrana koje koriste princip fotoelektričnog učinka, vjetroelektrane koriste sličan princip proizvodnje električne energije kao i većina drugih elektrana – pretvor-ba energije primarnog energenta u mehaničku energiju vrtnje rotora koja se potom u gener-atoru pretvara u električnu energiju. Iz tog razloga se može reći da su vjetroelektrane imale određenu startnu prednost naspram fotonaponskih elektrana budući da je većina opreme koju koriste dovoljno ispitana i sigurna. Ipak, postojali su određeni problemi pri optimalnoj konstruk-ciji, odnosno balansiranju između uloženog materijala i potrebne fleksibilnosti budući da su se lopatice prvih prototipova vjetroelektrana često lomile.

Vjetroelektrane ne zahtijevaju velike površine za izgradnju, no zbog nužnog razmaka između pojedinih vjetroagregata zbog izbjegavanja negativnog utjecaja jednog vjetroagregata na druge potrebno je povezivanje tih proizvodnih jedinica u cjelinu, kako električki tako i prometno. Up-ravo izrada pristupnih puteva i ishođenje potrebnih dozvola od nadležnih institucija često znaju predstavljati kamen spoticanja pri izgradnji vjetroelektrana. Osim zbog vizualnog utjecaja, sta-novništvo okolnih krajeva lokacije izgradnje vjetroelektrane često imaju pritužbe na buku koja se može čuti pri vrtnji lopatica, a ekolozi su posebno zabrinuti za zaštićene vrste ptica i šišmiša koje mogu nastradati ukoliko se vjetroelektrane nađu na njihovom putu.

Slično kao kod fotonaponskih elektrana investicijski troškovi vjetroelektrana značajno su se smanjili zadnjih godina što je i rezultiralo izgradnjom navedenih novih 63 GW u svijetu u 2015. godini, a jednak trend se očekuje i u godinama koje slijede. Za razliku od hidroelektrana kod kojih je većina optimalnih lokacija već izgrađena postoji još velik broj neiskorištenih lokacija za postavljanje vjetroelektrana, posebice na morskim površinama.

Proizvodnje električne energije iz energije vjetra susreće se također s problemom nepredvidive ćudi prirode budući da izlazne snaga VE ovisi o trenutnoj brzini vjetra. Iz tog razloga vjetroelek-trane jednako kao fotonaponske elektrane mogu ostvariti dodatnu benefit pomoću određenog

102


oblika skladištenja energije. Za razliku od fotonaponskih elektrana koje rade isključivo po danu i imaju najveći potencijal u područjima oko ekvatora, vjetroelektrane mogu raditi i danju i noću, a potencijal vjetra je podjednako raspoređen po cijeloj Zemlji.

PRINCIP RADA VJETROAGREGATA

Kako je već spomenuto vjetroelektrane koriste sličan princip proizvodnje električne energije kao i većina konvencionalnih elektrana. Naime ako se zanemari način pretvorbe energije primarnog energenta u mehaničku, daljnji proces pretvorbe je isti kao i kod hidroelektrana ili termoelektra-na – pretvorba rotacijske kinetičke energije u električnu energiju u generatoru (slika).

Budući da ne koriste toplinu za zagrijvanje medija koji bi pokretao turbinu nego koriste energiju fluida u njegovom prirodnom stanju, vjetroelektrane su zapravo najsličnije hidroelektranama.

U prošlom poglavlju je navedeno da je maksimalna dostupna snaga (PMAXt) struje zraka brzine (vZ), gustoće (ρZ) kroz površinu (A) koju opisuju lopatice rotora vjetroagregata jednaka:

312MAXt Z ZP A vρ= ⋅ ⋅ ⋅

(8.1)

Ipak iskoristivost energije vjetra je ograničena te samo jedan njen dio može pretvoriti u korisnu energiju. Naime u slobodnoj struji zraka isti mora nastaviti svoje strujanje da bi omogućio dolazak zraku iza sebe. Betzov zakon definira teoretsku granicu isoristivosti energije vjetra i izražava ju kroz stupanj aerodinamičke pretvorbe. Stupanj aerodinamičke pretvorbe jednak je omjeru snage na vratilu vjetroagregata i raspoložive teorijske snage u slobodnoj struji zraka, a ograničen je Betzovom granicom koja iznosi 0,593. Drugim riječima maksimalno 59,3% dostupne teorijske energije vjetra može se pretvoriti u korisnu energiju aerodinamičkom pretvorbom u slobodnoj struji vjetra. Tako je maksimalna snaga (PMAX) koju može razviti idealan vjetroagregat jednaka:

3 316 1 10,59327 2 2MAX Z Z Z ZP A v A vρ ρ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

(8.2)

Kako bi se dobila konačna realna snaga potrebno je uzeti u obzir stupanj učinkovitosti zračne turbine (ηT) kao i stupanj učinkovitosti generatora (ηG) pa je izlazna snaga vjetroagregata (PVA) jednaka:

310,5932VA T G Z ZP A vη η ρ== ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

(8.3)

S obzirom na dosadšnja razmatranja poznavanje brzine vjetra od iznimne je važnosti za proc-jenu mogućnosti iskorištavanja vjetra u energetske svrhe na nekoj lokaciji. Budući da je brzina

103


vjetra je jako promjenjiva potrebno ju je dovoljno dugo mjeriti kako bi se mogle odrediti krivulje frekvencija (statistika vjetra). Za procjenu proizvodnje električne enrgije vrlo je bitna i razdio-ba brzine vjetra. Naime prosječna brzina na nekoj lokaciji ne govori dovoljno o krakteru vjetra, odnosno da li je to konstantni vjetar (što je povoljnije) ili se izmjenjuju doba bez vjetra i doba za udarima vjetra koji se ne mogu iskoristiti za proizvodnju električne energije jer vjetroagregati ne mogu podnijeti posljedična mehanička naprezanja pa se moraju zakočiti. Razdioba brzine vjetra na određenoj lokaciji dobija se mjerenjem, a matematički opisuje Weibullovom razdiobom (slika).

Mjerenja brzine vjetra se uglavnom obavljaju pomoću anemometara koji su pričvršćeni na stu-pove, po mogućnosti približno na visini na kojoj će se nalaziti os vrtnje rotora vjetroagregata. Obično se postavlja više mjernih stupova na lokaciji, a preporuča se da vrijeme mjerenja bude nekoliko godina. Kao alternativa ili nadopna mjerenju mogu poslužiti meteorološki podaci, pro-računati za dulji povijesni period (uobičajeno zadnjih 30 godina), ali te podatke treba uzeti s dozom opreza zbog toga što uglavnom nisu prikupljeni na toj specifičnoj lokaciji. Ako u području već postoje turbine, njihovi rezultati proizvodnje daju najbolji uvid u osobine vjetra.

Nakon upoznavanja s osnovnim preduvjetima koje određena lokacija treba zadovoljavati kako bi bila povoljna za postavljanje vjetroagregata i procjenom dostupne energije vjetra, potrebno je opisati na koji to način energija vjetra zapravo pogoni vjetroagregat.

Struja vjetra pogoni lopatice rotora koje dalje prenose mehaničku energiju preko sporohodne osovine i sustava za promjenu brzine vrtnje i brzohodne osovine na rotor generatora. Sustav za promjenu brzine vrtnje naime služi za povećanje kutne brzine proizvedene lopaticama koja je nedovoljna za direktnu upotrebu u generatoru. Razlozi ograničavanja brzine vrtnje lopatica ro-tora vjetroagregata su manja posljedična mehanička naprezanja te manja buka koju proizvode lopatice prolaskom kroz zrak.

Uzrok pretvorbe energije leži u aerodinamičkom obliku lopatica koji je vrlo sličan aerodinamič-kom profilu krila zrakoplova. Kod zrakoplova se prilikom gibanja krila kroz zrak javljaju sila uzgo-na (FL) (zbog razlike tlakova iznad i ispod krila) i sila otpora (FD) koje uvelike ovise o napadnom kutu α (slika na sljedećoj stranici). Oblik krila zrakoplova izveden je tako da prisiljava zrak da struji s donje strane krila kraćom duljinom nego s gornje strane krila. Zbog toga su strujnice zraka iznad krila gušće, a brzina zraka veća. Prema Bernoulijevom zakonu veća brzina zraka rezultira manjim tlakom zraka pa tako nastaje potrebna sila uzgona.

Općenito porastom brzine strujanja zraka uzgon raste kao i sila otpora (pretpostavka je da je strujanje zraka laminarno). Porastom napadnog kuta α uzgon prvo raste pa počinje opadati pri nekom kritičnom napadnom kutu (efekt poznat pod nazivom slom uzgona), dok sila otpora stalno raste.

104


Slična situacija zbiva se dakle i prilikom vrtnje lopatice vjetroagregata kroz zrak. Pritom je smjer vrtnje lopatice okomit na smjer brzine vjetra pa uzgon na lopatici i silu otpora stvara prividna brzina vjetra kao što je prikazano na slici.

Prividna brzina vjetra (iz sustava lopatice) dobije se vektorskom razlikom stvarne brzine vjetra i obodne brzine lopatice vjetroagregata. Kada se rastave sile na lopatici može se uočiti kako zakretni moment (na nekoj udaljenosti od središta vrtnje) uzrokuje razlika sila Ft,1 (zelena boja na slici) i Ft,2 (crvena boja na slici). Zbroj sila Fp,1 (zelena boja na slici) i Fp,2 (crvena boja na slici) uzrokuju potiskivanje rotora vjetroagregata prema nazad i savijanje tornja prema vjetroagregata u smjeru puhanja vjetra. Stoga dolazi i do njihanja cijelog vjetroagregata koji elastičan sustav i nastoji se vratiti u prvobitno stanje, a vjetar ne puše cijelo vrijeme konstantnom brzinom.

Slično kao i kod krila zrakoplova, povećanjem napadnog kuta (kut između privid-nog smjera vjetra i tetive profila lopatice) sila uzgona raste pa nakon nekog određenog kuta počinje padati dok sila otpora konstantno raste. Stoga je potrebno odredi-ti optimalni napadni kut uz koji je omjer sile uzgona i sile otpora maksimalan (slika).

105


Budući da uz konstantnu kutnu brzinu lopatice obodna brzina svih dijelova lopatice nije konstant-na nego raste prema kraju lopatice, vektor prividne brzine vjetra mijenja se uzduž lopatice što uzrokuje i promjenu napdanog kuta uzduž lopatice. Stoga se lopatice izvode tako da se poste-peno uvijaju prema kraju tako da se zadržava optimalni napadni kut uzduž cijele lopatice. Na taj način se izvedbom lopatica postižu optimalni radni uvjeti vjetroagregata.

Budući da snaga vjetra raste izrazito nelinearno s promjenom njegove brzine te da su vjetroag-regati redovito postrojenja bez stalne posade vrlo je važno postići robusnost na promjene brzine vjetra. Radno područje vjetroagregata može se podijeliti u dva dijela (slika).

Prvi dio radnog područja okarakteriziran je slabim vjetrovima, te u tom području vjetroagregat ne postiže svoju nazivnu snagu. U tom području glavni zadatak sustava upravljanja je što je bolje iskoristiti dostupnu snagu vjetra promjenom momenta generatora. Drugo dio radnog područ-ja počinje kada turbina dosegne svoju nazivnu snagu, za vrijeme jačih vjetrova i to uglavnom između 10 i 15 m/s. Iznad nazivne brzine vjetra moment generatora (takvo upravljanje podrazumi-

106


jeva da je agregat neizravno spojen na elektroenergetsku mrežu, odnosno preko frekvencijskog pretvarača) održava se konstantnim, a upravljanje brzinom vrtnje vrši se promjenom kuta zakreta lopatica (čime se mijenja sila uzgona na lopatici, a time i aerodinamički moment koji pokreće lo-patice rotoar). Pritom snaga vjetra može biti puno veća od nazivne snage vjetroagregata.

U takvim uvjetima sustav upravljanja reagira na način da ograničava snagu koju vjetroturbina preuzima iz vjetra. Ovakve upravljačke akcije su nužne kako se ne bi narušila stabilnost čitave konstrukcije. Kako bi se spriječilo uništavanje opreme uslijed prevelikih mehaničkih naprezanja zbog velikih brzina vjetra vjetroagregati su opremljeni sigurnosnim mehanizmom za isključenje koji postavlja lopatice u neutralni položaj ukoliko vjetar dosegne određenu graničnu brzinu, brz-inu isključenja (eng. cut-out speed).

Vjetroagregati se u ovisnosti o izvedbi uglavnom isključuju pri brzinama vjetra od 25 do 30 m/s. Također je potrebno napomenuti da pri brzinama vjetra ispod 3 – 4 m/s nema dovoljno momenta koji bi pokrenuo lopatice vjetroagregata tako da postoji i određena minimalna brzina uključenja vjetroagregata (eng. cut-in speed).

PODJELA VJETROAGREGATA

Postoji više mogućih podjela vjetroagregata. Uobičajeno se dijele prema:

• izvedbi na: vjetroagregate s horizontalnom ili vertikalnom osovinom,

• smještaju na: kopnene, priobalne i vjetroagregate na pučini te

• prema načinu iskorištavanja energije vjetra na: vjetroagregate koji rade na principu ot-pora ili uzgona.

S obzirom na orijentaciju osi rotacije postoje dva osnovna tipa vjetroagregata: vjetroagregat s horizontalnom osi vrtnje rotora (eng. HAWT - Horizontal Axis Wind Turbine) i vjetroagregat s ver-tikalnom osi rotora (eng. VAWT - Vertical Axis WindTurbine) (slika).

Vjetroagregat s vodoravnom (horizontalnom) osovinom je vjetroagregat kod kojeg se rotor okreće oko horizontalne osi. Kod HAWT rotor može biti smješten suprotno od smjera vjetra (uz vjetar, oznaka A na slici) ili u smjeru vjetra (niz vjetar, oznaka B na slici).

Većina HAWT koristi izvedbu s rotorom uz vjetar čime se izbjegave zavjetrina iza stupa, odnosno utjecaj stupa na iskrivljavanje smjera vjetra. S druge pak strane kod ovakvog dizajna lopatice rotora moraju biti krute i rotor mora biti smješten na određenoj udaljenosti od stupa kako bi se izbjeglo udaranje lopatica rotora u stup vjetroagregata. Kod ovakve izvedbe nije moguće pasiv-no praćenje smjera vjetra pa je nužna izvedba mehanizma koji će okretati rotor prema vjetru.

Prednost HAWT izvedbe s rotorom niz vjetar je mogućnost izvedbe kojom se pasivno prati smjer vjetra. Dodatno, odosno lopatice rotora, mogu biti fleksibilnije, što pomoljno utječe na strukturu

107


vjetroagregata budući da pri velikim brzinama vjetra dolazi do smanjenja otpora zbog savijanja lopatica pa se tako smanjenje opterećenje stupa. Zbog toga ovakvi vjetroagregati mogu imati manju masu u usporedbi s onima uz vjetru. Osnovna mana im je zavjerina koju stvara stup te mo-gućnost značajnog savijanja lopatica, što uzrokuje zamor materijala, stvaranje buke i smanjenje izlazne snage.

Iako je moguća izvedba HAWT s različitim brojem lopatica, danas je u upotrebi najčešća ona s tri lopatice. Porastom broja lopatica raste učinkovitost turbine ali istodobno se smanjuje čvrstoća lopatica stoga ese trenutno rješenje s tri lopatice smatra optimalnim iz tehno-ekonomske pers-pektive.

Vjetroagregati s okomitim rotorom se rjeđe koriste. Kod VAWT je os rotora postavljena poprečno u odnosu na vjetar, a glavne komponente moguće je smjestiti na tlu u blizini temelja što značaj-no olakšava izvedbu i održavanje. Vjetroagregati s okomitom osovinom ne trebaju biti direktno okrenuti prema vjetru te zato ne postoji potreba za mehanizmom zakretanja.

Glavni nedostatak početnih VAWT izvedbi bile su značajne promjene zakretnog momenta i velika naprezanja na lopaticama uslijed promjene brzine i smjera vjetra što je posljedično uzrokovalo pucanje lopatica. Zbog toga su manje pouzdani od HAWT izvedbe.

Uvijanjem lopatica donekle je riješen problem prvelikog naprezanja lopatica. Osnovni razlog trenutne male zastupljenosti VAWT izvedbe je manja iskoristivosti i preslaba brzina vjetra pri tlu budući da su se gradili bez stupa. Ppostoje različite izvedbe VAWT, a najpoznatije su Savonius i Darrieus vjetroagregat pri čemu Darrieusov VA ima nekoliko varijanti kao što su Darrieus s ravnim lopaticama (Giromill ili H rotor), Darrieus sa zakrivljenim lopaticama i Darrieus sa spiralno uvinutim lopaticama (Gorlov) (slika).

S obzirom na lokaciju smještanja i korištenja vjetroagregata oi se dijele na kopnene, priobalne (eng. offshore) i pučinske vjetroagregate (slika). Kao što je i za očekivati, kopneni se najduže ko-riste, te su iz tog razloga trenutno i najbrojnije. Razvoj tehnologije omogućava porast priobalnih VA koji su uglavnom veći od kopnenih i očekuje se da će ih u budućnosti biti više od kopnenih. Pučinski VA izvode se kao plutajući i nalaze se na otvorenom moru ali su trenutno u fazi pilot projekata.

108


S obzirom na način iskorištavanja energije vjetra postoje vjetroagregati koji rade na principu ot-pora (eng. drag) i vjetroagregati koji rade na principu uzgona (eng. lift). Postoje i izvedbe VA koje kombiniraju oba spomenuta principa (Giromill npr.).

Na slici je prikazana je ovisnost faktora iskorištenja o koeficijentu brzohodnosti pojedinih izvedbi vjetroagregata. Koeficijent brzohodnosti (λ) je omjer kutne brzine vrha lopatice i brzine vjetra.

Crvenom bojom označene su izvedbe koje rade temeljno na principu otpora, a plavom bojom koje rade na principu uzgona. Sa slike je uočljivo da vjetroagregati koji rade na principu uzgona imaju značajno veću učinkovitost.

109



Iskorištavanja energije vjetra na principu otpora jednostavnije je ali i manje učinkovito od isko-rištavanja energije vjetra na principu uzgona. Struja vjetar opstrujava pažljivo oblikovane lopatice vjetroagregata, te na njih vrši silu. Ukupna sila se sastoji od dvije komponente, uzgona (U) koji je okomit na vektor vjetra (V) te otpora (O) koji je paralelan vektoru vjetra slika.

Gibanje lopatica ostavruje se na djelovanju sila otpora na lopatice rotora budući da svaka površi-na koja je prepreka vjetru pruža neki otpor. Ukoliko se prepreke, odnosno lopatice rotora, obli-kuju tako da jedna strana lopatice pruža manji otpor, a druga veći te se pravilno postave u struju vjetra, kao rezultat dobiva se rotacija lopatica.

Lopatice se mogu oblikovati i postaviti na način koji uspješno iskorištava silu aerodinamičkog uzgona, što može se znatno povećati učinkovitost u odnosu na vjetroagregate koji iskorištavaju silu otpora. Aerodinamički uzgon nastaje uslijed gibanja tijela kroz zrak zbog razlike tlakova na površini tijela uzrokovane oblikom tijela i usmjerena je prema gore. Analogna je situacija kada zrak struji preko lopatica slika.

Lopatice se oblikuju tako da pružaju vrlo mali otpor zraku omogućavajući strujnicama zraka obi-lazak lopatica uz najmanje moguće skretanje. Na slici su strujnice zraka višeg tlaka prikazane crvenom, a nižeg plavom bojom. Zbog oblika lopatice zrak je s gornje strane primoran putovati većom brzinom što prema Bernoulijevom zakonu rezultira smanjenjem tlaka.

110


DIJELOVI VJETROAGREGATA

Na slici su prikazani osnovni osnovni dijelovi vjetroagregata.

Lopatice (eng. blades)

Većina vjetroagregata ima sustav s tri (ili dvije) lopatice. S obzirom na izvedbu razlikuju se lo-patice sa zakretnim vrhovima (kao aerodinamičnim kočnicama) ili s krilcima. Obje izvedbe su ujedno sekundarni konči sustavi, koji u slučaju otkazivanja primarnog končog sustava (mehanič-ka kočnica) stvaraju potrebni moment kočenja (zakretanjem vrha lopatice ili pomičnom ravnom površinom (eng. spoiler) ), te na taj način ograničavaju brzinu vrtnje. Broj okretaja rotora se reg-ulira aerodinamičkim kočenjem. Takvo kočenje se ostvaruje odabirom odgovarajućeg kuta lo-patice s obzirom na vjetar.

Rotor

Osim lopatica sastavni dio rotora VA je i glava (eng. hub). Ovisno o načinu regulacije snage, rotor može biti izveden:

• Tako da se regulaciju kuta tijekom rada vrši zakretanjem lopatice, na način da se profil namješta u optimalni položaj. Ovakva regulacija je složena i rotori ovakve izvedbe su skuplji, ali primjenjivi za duže lopatice. Također postoji poseban motor za zakretanje, koji mijenjajući kut lopatice mijenja napadni kut struje zraka.

• Tako da se regulacija snage vrši korištenjem aerodinamičnog efekta poremećenog tro-kuta brzina. Dakle, s promjenom brzine vjetra mijenja se na aeroprofilu kut struje zraka, odnosno dolazi do poremećaja trokuta brzina te do porasta ili gubitaka uzgona, pri čemu lopatice nemaju mogućnost zakretanja.

111


Kočnica (eng. brake)

U slučajevima kada brzina vjetra prijeđe isključnu vrijednost dolazi do izrazitog dinamičkog opterećenja na lopatice pa mora postojati sustav kočenja koji će rasteretiti prijenosnik snage, odnosno zaustaviti rotor. Isti sustav koristi se i kod istada generatora s mreže. Dodatni zadatak ovog sustava je održati projektnu brzinu vrtnje konstantnom, odnosno osigurati kontinuiranu dinamičku ravnotežu sustava. Sustav kočenja se najčešće izvodi disk kočnicom, kojom se na suvremenim strojevima upravlja mikroprocesorski, a smještena je na sporookretnoj osovini prije prijenosnika ili na brzookretnoj osovini generatora.

Prijenosnik snage (eng. gear box)

Budući da se lopatice vjetroturbine vrte relativno sporo potreban je prijenosnik snage koji spaja sporookretnu s brzookretnom osovinom i povećava brzinu vrtnje s oko 30 – 60 okretaja/min na oko 1200 – 1500 okretaja/min. Drugim riječima, prijenosnik snage povećava brzinu vrtnje rotora na iznos koja je nužna za stvaranje električne energije u generatoru. Prijenosnik je u većini slua-jeva multiplikator i može biti razliitih izvedbi. Budući da je prijenosnik je skup i težak dio vjetroag-regata analizira se mogućnost izravnog pogona generatora bez prijenosnika.

Generator

Do sada opisani turbinski dio vjetroagregata s rotorom, kočnicama i prijenosnikom snage ima kao osnovnu funkciju pogonjenje generatora. Za pravilno i sigurno funkcioniranje čitavog sustava, generator mora ispunjavati zahtjeve kao što su: visok stupanj učinkovitosti u širokom rasponu opterećenja i brzine okretanja, izdržljivost rotora na povećanim brojevima okretaja u slučaju ot-kazivanja svih zaštitnih sustava, postojanost konstrukcija na visokim dinamičkim opterećenjima prilikom kratkih spojeva, kao i pri uključivanju i isključivanju generatora. Uzimajući dodatno u obzir moguće uvjete povećane vlažnosti, slanosti, zatim otpornost na krute čestice, povišenu temperaturu i slične uvjete, pred generatore se postavlja zahtjev visoke pouzdanosti uz što man-je održavanja. Stoga je jasno da generatori koji se ugrađuju u vjetroagregate moraju biti vrlo robustni i otporni.

Prema načinu rada generatori mogu biti predviđeni bilo za paralelni rad s postojećom mrežom, bilo za samostalni rad ili za istovremeni rad s drugim izvorima električne energije. Prema vrsti električne energije koju proizvode generatori mogu biti istosmjerni ili izmjenični. Istosmjerni se zbog problema s pouzdanosti rijetko primjenjuju. Prema načinu okretanja postoje generatori s promjenjivom ili s konstantnom brzinom okretanja uz zadržavanje konstantne frekvencije.

Upravljački i nadzorni sustav (eng. controller)

Ovaj sustav je u zadužen za cjelokupno upravljanje i nadziranje rada svih sustava vjetroagrega-ta. U slučaju da je neki dio ovog sustava smještenna nekom udaljenijem mjestu onda je nužna i telekomunikacijska oprema.

Oprema za zakretanje (eng. yaw gear)

Služi za zakretanje turbinsko-generatorskog sustava. Nalazi se ispod kućišta vjetroturbine, na vrhu stupa. Preko pužnog prijenosa s velikim zupčastim prstenom, uvršćenim na stupu, izravnava se os osovine rotora s pravcem vjetra pomoću ugrađenog motora. Ugrađenu kočnicu onemo-gućava zakretanje kućišta uslijed naleta vjetra.

Gondola (eng. nacelle)

Gondola ili kućište smještena je na vrhu stupa i služi kao zaštita generatorskog sustava od oko-lišnih utjecaja, te kao zaštita okoliša od buke koju stvara oprema smještena u gondoli.

Stup (eng. tower)

Može biti izveden kao cjevasti, konusni, teleskopski, rešetkasti, uvršćeni ili povezani. Danas se naješće koristi cjevasta konstrukcija, a prednost joj se nalazi u tome što ju osim visoke vrstoće

112


karakterizira i veća otpornost na vibracije. Prednost rešetkaste konstrukcije nalazi se u jednos-tavnosti, a budući da ju je moguće rastaviti na manje dijelove prikladnija je za transport i montažu. u unutrašnjosti cijevastog stupa se nalaze stube, a kod većih stupova se ugrađuje i dizalo. U pod-nožju stupa se nalazi transformator koji povezuje vjetroagregat s mrežom, te kontrolna i mjerna jedinica. Transformator se ponekad nalazi i u zasebnoj građevini u podnožju stupa.

JESTE LI ZNALI?

Trenutno najveći vjetroagregat V164-8 MW izradila je danska tvrtka Vestas. Promjer rotora mu je 164 m, ukupna visina oko 220 m, a snaga 8 MW. Koristiti će se u priobalnom području.

VJETROELEKTRANA I PRIKLJUČAK NA ELEKTROENERGETSKU MREŽU

Budući da je snaga pojedinačnog vjetroagregata ograničena, više VA moguće je blisko smjestiti i međuspobno povezati u vjetroelektranu. Vjetroagregati jedne vjetroelektrane uglavnom su izlo-ženi istoj struji vjetra i priključuju se na elektroenergetsku mrežu preko zajedničkog rasklopnog postrojenja (slika).

Budući da se vjetroelektrane često sas-toje od više desetaka vjetroagregata obično se prema prostornom raspore-du određuju grupe vjetroagregata koj se povezuju istim vodom (najčešće podzemnim kabelom). Povezivanje svih vjetroagregata jednim kabelom je got-ovo nemoguće zbog velike snage koju treba prenijeti ali i zbog velike udaljeno-sti koju treba pokriti. Treba imati na umu da s porastom duljine kabela rastu i gu-bitci električne energije. Kabeli koji pov-ezuju grupe vjetroagregata udružuju se u zajedničkom rasklopnom postrojenju, a proizvedena električna energija se pomoću transformatora prilagođava naponskoj razini dijela elektroenergetske mreže na koju se priključuje vjetroelektrana.

Priključak vjetroelektrana na elektroenergetsku mrežu je značajan problem budući da vjetro-elektrane mogu bitno utjecati na stabilnost sustava i kvalitetu električne energije u mreži. Kriteriji priključenja se definiraju u obliku Mrežnih pravila za vjetroelektrane (eng. wind grid codes). Iako se Mrežna pravila ne izrađuju tako da isključe ili diskriminiraju određenu vrstu generatora, njihove su odredbe obično definirane prema konvencionalnim termoelektranama i hidroelektranama.

Generatori koji se koriste u vjetroelektranama se znatno razlikuju od ostalih generatora zbog čega se uobičajeno izrađuju posebne vrste Mrežnih pravila za vjetroelektrane. Jedan od prob-lema kod priključka vjetroelektrana na mrežu leži u činjenici da su pozicije vjetroagregata često značajno udaljene od postojeće elektroenergetske mreže što zahtjeva izgradnju dužih vodova i povećava troškove.

Najznačajnije ograničenje predstavlja velika varijabilnost vjetra, koja se može se smanjiti instali-ranjem vjetroelektrana na širokom području. Ipak činjenica je vjetroelektrane mogu značajno smanjiti potrošnju fosilnih goriva i ostalih neobnovljivih izvora energije, ali same vjetroelektrane bez podrške konvencionalnih elektrana ne mogu jamčiti stabilnost i pouzdanost opskrbe u elek-troenergetskom sustavu.

113


VI. POHRANA ENERGIJE

U širem smislu, spremnik energije pohranjuje energiju za naknadnu uporabu. Naime, svojstvo električne energije, koja je prijelazni oblik energije, je da se ne može skladištiti, odnosno pohran-jivati, te je iz tog razloga električnu energiju potrebno prvo pretvoriti u oblik energije koji se može pohraniti. Svakodnevno koristimo barem nekoliko ovakvih uređaja:

• mobilni telefon punimo električnom energijom iz utičnice, a u njegovoj bateriji ta se en-ergija pohranjuje u obliku kemijske energije

• daljinski uređaj za TV napaja se iz AA ili AAA baterija u kojima je također pohranjena kemijska energija

Slika. AA i AAA baterije za kućnu uporabu.

Možemo reći da se potrošačka elektronika općenito napaja električnom energijom do-bivenom iz baterija. Međutim, uređaji s kojima se svakodnevno susrećemo zahtijevaju relativno malene količine energije.

U elektroenergetskom sustavu već se dugi niz godina primjenjuju „uređaji“ za pohranu energije, čija je uloga izravnati dnevnu krivulju opterećen-ja. Naime, potrošnja električna energije mijenja se tijekom dana. Noću je niska, a tijekom dana značajno viša, dok se vrhunac dnevne potrošnje događa oko 20 h.

Kako bi pogon elektroenergetskog sustava bio što učinkovitiji i sigurniji, tijekom noći se višak električne energije pohranjuje u spremnik energi-je, dok se tijekom dana pohranjena energija daje u sustav osiguravajući dovoljne količine energije tijekom vršnog opterećenja.

U elektroenergetskom sustavu s velikim količinama vjetroelektrana, viškovi električne energije tijekom noći jako su veliki. Naime, vjetroelektrane u načelu najviše električne energije proizvode tijekom noći, kada nam je ona najmanje potrebna.

Stoga se sve više javljaju potrebe za spremanjem velikih količina energije, što omogućuje elek-troenergetske sustave s golemim količinama obnovljivih izvora energije.

Za spremanje viškova energije u elektroenergetskom sustavu tradicionalno se koriste rever-zibilne hidroelektrane, no u posljednje vrijeme sve je veća uloga baterija, dok su zamašnjaci i gorivne ćelije vrlo malo u uporabi.

Na slici XX uočljivo je da su reverzibilne hidroelektrane pogone za velike instalirane snage, kao i vodik koji se praktički vrlo malo koristi u elektroenergetici. Baterijske tehnologije su modularne i njihov kapacitet u primjeni će se povećavati i sustići reverzibilne hidroelektrane.

Spremanje komprimiranog zraka u podzemne spilje i njegovo korištenje za povećavanje učinko-vitosti plinskih turbina nije rašireno, ali zbog korištenja plina ne može se smatrati niti potporom obnovljivim izvorima energije.

Superkondenzatori i supravodljivi magnetski spremnici mogu dati vrlo kratke impulse snage te stoga nisu relevantni za upotrebu u elektroenergetici.

114


Slika. Upotreba raznih vrsta spremnika.

REVERZIBILNE HIDROELEKTRANE

Reverzibilna hidroelektrana razlikuje se od „obične“ hidroelektrane samo po činjenici da njena turbina može raditi i u pumpnom režimu, pumpajući vodu u gornje jezero i pritom trošeći elek-tričnu energiju. Dakle, troši se električna energija kako bi se vodi povećala potencijalna energija vode, uslijed visinske razlike između dva jezera, koja se potom ponovo može koristiti za proiz-vodnju električne energije.

Slika. Princip rada reverzibilne hidroelektrane.

115


Korisnost predmetnog procesa je zbog gubitaka znatno manja od 100 % pa je potrebno uložiti više energije za podizanje vode u gornji bazen nego što se dobije puštanjem vode iz gornjeg u donji bazen. Stupanj djelovanja reverzibilnih hidroelektrana, ako se pumpanje i korištenje vode provodi između istih razina vode, iznosi 55 - 70 %. Međutim, s ekonomskog stajališta situacija je drugačija. Naime, cijena električne energije rezultat je potrebe za električnom energijom i izrav-no ovisi o potražnji. Stoga je trošenje električne energije po noći, kada je njezina cijena niža, za pumpanje vode u gornje jezero i proizvodnja električne energije po danu, kada je njezina cijena viša, ekonomski isplativo.

Jedina reverzibilna hidroelektrana u Hrvatskoj je RHE Velebit, koja se nalazi na rijeci Zrmanji, 10 km uzvodno od Obrovca.

Slika. Cijev RHE Velebit kojom se voda pumpa u gornje jezero i pušta natrag na turbinu.

Zadatak

Instalirana snaga reverzibilne hidroelektrane Velebit u turbinskom režimu iznosi 276 MW, a u pumpnom 240 MW. U turbinskom režimu instalirani protok iznosi 60 m3/s uz pad 517 m. U pump-nom režimu instalirani protok iznosi 40 m3/s , a pad 559 m. Izračunati učinkovitost ciklusa pun-jenje/pražnjenje reverzibilne hidroelektrane Velebit.

Upute: Na temelju izraza za snagu hidroelektrane koji ste već naučili, odredite snagu reverzi-bilne hidroelektrane prilikom pumpanja i turbinskog rada. Usporedite dobivene rezultate.

Zbog svoje veličine i isplativosti, reverzibilne hidroelektrane čine preko 99% svih spremnika energije u svijetu. Instalirana snaga reverzibilnih hidroelektrana u svijetu premašila je 100 GW. Za usporedbu, vršna potrošnja električne energije u hrvatskoj iznosi 3,3 GW. Instalirana snaga u reverzibilnim hidroelektrana za neke svjetske zemlje navedena je u tablici.

Sjeverna Amerika 22.4 GW

Kanada 0.2 GW SAD 22.2 GW

Central and South America 1 GW

Argentina 1 GW

Europe 44 GW

Austrija 4.4 GW Luksemburg 1.1 GW

116


Belgija 1.3 GW Norveška 1.4 GW

Bugarska 0.9 GW Poljska 1.4 GW

Hrvatska 0.3 GW Portugal 1.0 GWČeška 1.1 GW Srbija 0.6 GW

Francuska 4.3 GW Slovačka 0.9 GW

Njemačka 6.7 GW Španjolska 5.3 GW

Grčka 0.6 GW Švedska 0.1 GW

Irska 0.3 GW Švicarska 1.8 GW

Italija 7.5 GW UK 2.7 GW

Euroazija 2 GW

Letonija 0.8 GW Rusija 1.2 GW

Afrika 2 GW

Maroko 0.5 GW Južna Afrika 1 GW

Azija i Oceanija 33 GW

Australija 1 GW Južna Korea 4 GW

Japan 25 GW Tajvan 3 GW

Zadatak

Usporedite instaliranu snagu u reverzibilnim hidroelektranama po broju stanovnika Japana, Hr-vatske i Švicarske. Najveće reverzibilne hidroelektrane u svijetu navedene su u sljedećoj tablici.

Naziv Zemlja Snaga (MW)

Bath County Pumped Storage Station SAD 3003

Huizhou Pumped Storage Power Station Kina 2448

Guangdong Pumped Storage Power Station Kina 2400

Okutataragi Pumped Storage Power Station Japan 1932

Ludington Pumped Storage Power Plant SAD 1872

Tianhuangping Pumped Storage Power Station Kina 1836

Grand’Maison Dam Francuska 1800

Dinorwig Power Station UK 1728

Raccoon Mountain Pumped-Storage Plant SAD 1652

Mingtan Pumped Storage Hydro Power Plant Tajvan 1602

Castaic Power Plant SAD 1566

Tumut-3 Australija 1500

117


BATERIJE

Baterija je uređaj koji pretvara kemijsku energiju svojih aktivnih materijala izravno u električnu energiju posredstvom elektrokemijskih redoks reakcija. U slučaju punjivih baterija, ovaj proces je povratan. Reakcija uključuje prijelaz elektrona jednog materijala u drugi preko električnog kruga.

S obzirom da se u bateriji elektrokemijskim procesom kemijska energija pretvara u električnu, drugi zakon termodinamike i Carnotov proces nisu relevantni, što znači da su energetske pret-vorbe jako učinkovite. Učinkovitost pražnjenja pojedinih baterijskih tehnologija iznosi i preko 95%. Iako se često koristi termin baterija, osnovna jedinica u kojoj se događa reakcija je članak. Baterija, odnosno proizvod koji se prodaje kupcu, sastoji se od više članaka koji su spojeni seri-jski ili paralelno, ovisno o željenom naponu i kapacitetu.

Članak je osnovna elektrokemijska jedinica koja djeluje kao izvor električne energije izravnom pretvorbom kemijske energije i sastoji se od tri osnovna dijela:

1. Anoda, odnosno negativna elektroda, je elektroda koja odaje elektrone vanjskom krugu te oksidira tijekom elektrokemijske reakcije.

2. Katoda, odnosno pozitivna elektroda, je elektroda koja prima elektrone iz vanjskog kru-ga i reducira se tijekom elektrokemijske reakcije.

3. Elektrolit, odnosno vodič iona, je medij kojim se prenosi naboj u vidu iona između anode i katoda. Elektrolit je obično tekućina (voda ili neko drugo otapalo) koja sadrži otopljene soli, kiseline ili alkale za poboljšanje vodljivosti. Neki članci koriste krute elektrolite.

Najbolji materijali za izradu elektroda su oni koji su najlakši i daju veliki napon i kapacitet. Takve kombinacije ponekad nisu praktične zbog reakcija s drugim dijelovima članka, polarizacije, tešk-og rukovanja, visoke cijene i ostalih nedostataka.

Anoda se u praksi bira na temelju sljedećih svojstava: učinkovitost kao redukcijski agent, dobra vodljivost, stabilnost, lakoća proizvodnje i niska cijena. Vodik je podoban materijal za anodu, međutim vodik je plin. Stoga se za anodu koriste metali, najčešće cink. Litij je najlakši metal i ima najveći elektrokemijski ekvivalent, no aktivan je pa je potrebno biti pažljiv s izborom kompatibil-nog elektrolita i članka općenito. Katoda treba biti učinkovit agent za oksidaciju, stabilan u kon-taktu s elektrolitom i sa što višim radnim naponom. Kisik iz zraka se može koristiti kao katoda, kao što je slučaj u ZnO baterijama. Najčešće se katoda izrađuje od metalnih oksida, a u specifičnim slučajevima koriste se halogeni, oksihalidi, sulfati i njegovi oksidi.

Elektrolit mora biti dobar vodič iona, ali ne smije biti električki vodič jer bi to uzrokovalo unutarnji kratki spoj. Elektrolit ne smije reagirati s materijalima od kojih su izrađene elektrode, svojstva se ne smiju značajno mijenjati s temperaturom, mora biti siguran za rukovanje i jeftin. Većina elektrolita su vodene otopine, osim u slučajevima izbjegavanja reakcije s anodom (primjerice u kombinaciji s anodom od litija koriste se rastaljene soli).

Osim aktivnih elemenata, odnosno anode, katode i elektrolita, članak sadrži i neaktivne elemente poput separatora, oklopa i priključaka. Njihov dizajn također je bitan za učinkovit rad. Elek-trode su međusobno električki izolirane kako bi se spriječio kratki spoj te su uronjene u elektrolit. U praksi se koristi separa-tor da mehanički odvoji anodu i katodu. Separator je propustan za elektrolit kako bi se zadržala ionska vodljivost.

Članak može biti konstruiran u raznim oblicima i konfiguracijama – može biti cilindričan, u obliku gumba ili prizmatičan. Cilindrični članci su najčešći jer se koriste u AA i AAA baterijama. Članci u obliku gumba koriste se u malim baterijama za satove, a prizmatični članci u mobilnim uređajima.

Slika. Cilindrični članak.

118


Slika. Članci u obliku gumba.

Slika. Prizmatični članak.

Članci se zatvaraju na razne načine kako bi se spriječilo curenje i isušivanje. Neki članci imaju predviđene uređaje za ventilaciju kako bi se uklonili akumulirani plinovi. Priključci i oznake nužni su kako bi se ispravno spojio članak.

Članci i baterije općenito se dijele na primarne (ne mogu se puniti) i sekundarne (punjive). Primarni članci, odnosno baterije, se ne mogu puniti te su beskorisni nakon što se isprazne. Stoga se primarni članci ne koriste u elektroenergetici za pohranu energije. Suprotno tome, sekundarne

119


se baterije mogu puniti gotovo do prvobitnog stanja napunjenosti na način da struja prolazi kroz njih u obrnutom smjeru od struje pražnjenja. U elektroenergetici sekundarna baterija koristi se kao uređaj za spremanje energije i stalno je priključena na izvor napajanja te se, prema potrebi, prazni i napaja teret.

Kada se na članak priključi teret, elektroni odlaze s anode, koja oksidira, kroz teret i dolaze do katode, koju elektroni reduciraju. Krug se zatvara kroz elektrolit kroz koji anioni (negativni ioni) idu na anodu, a kationi (pozitivni ioni) idu na katodu.

Slika. Reakcija pražnjenja članka.

Reakcija pražnjenja:

Negativna elektroda – anoda (oksidacija, odnosno gubitak elektrona)

2Zn Zn 2e+→ +

Pozitivna elektroda – katoda (redukcija, odnosno primanje elektrona)

2Cl 2 2Cle −+ →

Ukupna reakcija:

22Zn+Cl Zn +2Cl+ −→

Tijekom punjenja punjivog članka, tijek struje je obrnut i oksidacija se odvija na pozitivnoj elektrodi, dok se redukci-ja odvija na negativnoj elektrodi. S obzirom da je, po defin-iciji, anoda elektroda na kojoj se odvija oksidacija, a katoda elektroda na kojoj se odvija redukcija, pozitivna elektroda sada postaje anoda, a negativna katoda.

Slika. Reakcija punjenja članka.

120


Reakcija punjenja:

Negativna elektroda – katoda (redukcija, prihvat elektrona)

2Zn 2 Zne+ + →

Pozitivna elektroda – anoda (oksidacija, davanje elektrona)

22Cl Cl 2e− → +

Ukupna reakcija:

22Zn +2Cl Zn+Cl+ − →

Korištenje baterija konstantno se povećava što se može zahvaliti napretku elektronike i količini uređaja koji se napajaju iz baterija. Dodatno se potražnja povećava otvaranjem novih područja primjene baterija, poput električnih vozila i elektroenergetskog sustava. Naime, baterije su pou-zdane, nemaju okretnih dijelova, ne zahtijevaju održavanje i lako se konfiguriraju.

Od baterijskih tehnologija, najraširenije su olovne baterije i njihova napredna verzija – VRLA (Valve Regulated Lead Acid) baterije. Loša im je strana niska specifična energija, a dobre strane su učinkovit rad pri širokom rasponu temperatura i niska cijena. Zato su automobilske baterije danas isključivo olovne. Važno je napomenuti da su olovne baterije roba koja se najviše reciklira danas, preko 95% odbačenog automobilskog akumulatora nađe novu uporabu.

Druga velika skupina baterija su alkalne, od kojih je danas najperspektivnija litij-ionska tehnologi-ja. Danas se Li-Ion baterije koriste u mobitelima, električnim vozilima i sve više u elektroenergeti-ci. Li-Ion baterije imaju veliku gustoću energije i specifičnu energiju te puno manje degradiraju od ostalih baterijskih tehnologija. Degradacija baterije predstavlja smanjenje njenog kapaciteta. Naime, nakon pražnjenja baterije, ona se ne može u potpunosti napuniti do početnog kapaciteta. Drugim riječima, svako pražnjenje i ponovno punjenje uništava bateriju. Smanjenje kapaciteta uslijed jednog ciklusa pražnjenja i punjenja je zanemarivo, no nakon više stotina ili tisuća ciklu-sa, bateriji će se značajno smanjiti kapacitet. Degradacija baterije, odnosno smanjenje njenog kapaciteta, prvenstveno ovisi o struji, odnosno snazi, punjenja i pražnjenja (brzo punjenje i pražn-jenje više uništava bateriju) i o dubini pražnjenja (koliko energije će biti ispražnjeno iz baterije).

Pitanje

Prilikom rada na prijenosnom računalu kod kuće, je li bolje držati ga stalno priključenim na utičnicu ili raditi na bateriji pa ga puniti kada se baterija isprazni?

Zadatak

Samostalni fotonaponski sustav sastoji se od FN modula, akumulatora i trošila. Trošilo se sastoji od 4 štedne žarulje na istosmjernu struju i napona 12 V. Tri štedne žarulje imaju snagu 7 W, a jedna je snage 11 W. Žarulje su uključene 4 sata dnevno.

Potrebno je odrediti kapacitet akumulatora koji bi mogao osigurati potrebnu energiju kada bi tijekom pet uzastopno oblačnih dana akumulator bio jedini izvor energije.

Stupanj djelovanja akumulatora je 0,8, stupanj djelovanja regulatora punjenja 0,92, a stupanj djelovanja FN sustava 0,85.

JESTE LI ZNALI?

Demonstracijskih projekata primjene velikih baterija u elektroenergetskim sustavima sve je više. Najnoviju interaktivnu kartu uvije možete pronaći na internetskoj stranici američkog ministarstva energetike http://www.energystorageexchange.org/projects

121


ZAMAŠNJACI

Zamašnjak je rotirajući mehanički uređaj koji se koristi za spremanje mehaničke (rotacijske) energije. Ima veliki moment inercije zbog čega vrlo polako usporava. Ko-ličina spremljene energije proporcionalna je kvadratu brzine vrtnje. Energija se zamašnjaku dovodi pomoću vanjskog momenta i tada zamašnjak ima ulogu motora. Kada zamašnjak daje energiju, ima ulogu generatora, daje moment teretu i smanjuje mu se brzina vrtnje.

Zamašnjaci se često koriste u sustavima u kojima je po-trebna kontinuiran mehanički rad, a izvor mehaničkog rada nije kontinuiran, poput u slučaju koljenastog vratila u radilici automobila.

Slika. Koljenasto vratilo u radilici automobila.

Energija u rotoru spremljena je u obliku kinetičke energije vrtnje:

212kE Iω=

Moment tromosti cilindra:

212

I mr=

Moment tromosti neispunjenog cilindra:

2I mr=

Moment tromosti cilindra s debelom stjenkom:

( )22 1

12

I m r r= +

Tipični zamašnjak se sastoji od rotora kojeg drže ležajevi u vakuumskoj komori (kako bi se sman-jilo trenje, odnosno usporavanje rotora). Rotor je vratilom spojen s električnim motorom /genera-torom, kao što je prikazano na slici.

Slika. Konstrukcija zamašnjaka.

122


Konvencionalni zamašnjaci su načinjeni od metala i koriste standardne ležajeve. Brzina vrtnje iznosi nekoliko tisuća okreta u minuti. Moderni zamašnjaci načinjeni su od karbonskih vlakana, koriste vakuum, imaju magnetske ležajeve i mogu se vrtjeti brzinama do 60,000 okreta u minuti. Za razliku od baterija, zamašnjaci ne degradiraju (imaju preko 100,000 ciklusa pražnjenja). Sto-ga su najprimjenjiviji u okruženju koje zahtijeva veliku snagu i malu energiju u čestim ciklusima. Upravo to je slučaj u elektroenergetici za reguliranje frekvencije. Međutim, zasad ne postoje zamašnjaci velike snage. Najznačajniji demonstracijski projekt koji uključuje zamašnjak razvila je tvrtka Beacon Power, koja je pustila u pogon sustav zamašnjaka kapaciteta 5 MWh (20 MW tijekom 15 minuta) u Stephentownu, New York, 2011. Također, 2 MW spremnik energije koji koristi zamašnjake pušten je u pogon u Ontariju, Kanada u 2014 (koristi metalni cilindar i magnetske ležajeve).

Zadatak

Zamašnjak ima oblik cilindra, masu 50 kg i polumjer 0.2 m. Zavrtjeli smo ga do brzine 480 okr/min i zatim prepustili samome sebi. Pod utjecajem trenja on se zaustavio. Koliki je moment sile trenja ako pretpostavimo da je trenje stalno i ako se zamašnjak zaustavio nakon 50 s?

GORIVNA ĆELIJA

Gorivna ćelija je uređaj koji proizvodi električnu energiju posredstvom kemijske reakcije. Gorivne ćelije imaju dvije elektrode: pozitivnu (anodu) i negativnu (katodu). Primijetite kako je konvencija obrnuta nego u slučaju baterija. Razlog za to je što u bateriji energija dolazi iz samih elektroda (anoda je izvor elektrona, a taj izvor je konačan i ovisi o veličini elektroda), dok u gorivnoj ćeliji energija dolazi iz vanjskog goriva, a elektrode su katalizatori reakcije.

Temeljno gorivo u gorivnoj ćeliji je vodik, a za reakciju je još potreban kisik. Zagađenje prilikom korištenja ovakvog uređaja je zanemarivo jer se vodik i kisik spajaju i nastaje nusprodukt – voda. Gorivna ćelija proizvodi malu količinu istosmjerne struje pa se ćelije spajaju u stogove da bi se povećao napon (napon gorivnog ćelije je oko 1 V) i snaga.

Način rada gorivne ćelije opisan je na slici XX. Atomi vodika ulaze u članak iz spremnika kroz an-odu. Nakon što im se oduzmu elektroni, atomi vodika postaju ionizirani te nose pozitivan naboj. Negativni elektroni obavljaju rad u električnom krugu. Kisik pritom ulazi kroz katodu gdje preuz-ima elektrone iz električnog kruga i ione vodika koji su došli kroz elektrolit, čime nastaje voda.

Slika. Način rada gorivne ćelije.

123


Gorivni članak proizvodi električnu energiju dokle god ima pristup gorivu: vodiku i kisiku. Budući da gorivni članci proizvode električnu energiju kemijskom reakcijom, a ne izgaranjem, ne podli-ježu termodinamičkim ograničenjima, zbog čega, kao i baterije, imaju visoku učinkovitost.

Oksidacija vodika na anodi: H2 = 2H+ + 2e-

Redukcija kisika na katodi: ½ O2 + 2H+ + 2e- = H2O

Ukupna reakcija: H2 + ½O2 = H2O

Vrste gorivnih ćelija:

s kalijevim hidroksidom (Alkali)

s otopljenim karbonatom (Molten Carbonate)

s fosfornom kiselinom (Phosporic Acid )

s polimernom membranom (Proton Exchange Membrane)

s krutim oksidom (Solid Oxide)

Gorivna ćelija s kalijevim hidroksidom radi s komprimiranim vodikom i kisikom. Elektrolit je otopi-na kalijevog hidroksida, KOH, u vodi. Učinkovitost ovih gorivnih ćelija iznosi do 70 %. Radna temperatura im je 150 - 200 °C. Korištene su u Apollo svemirskom brodu za proizvodnju elek-trične energije i vode. Ova izvedba zahtijeva čisti vodik, a elektrode obložene platinom čine ovu izvedbu jako skupom.

Slika. Shema gorivne ćelija s kalijevim hidroksidom.

U gorivnoj ćeliji s rastaljenim karbonatima elektrolit su slitine karbonata (CO3) pri visokim tem-peraturama. Učinkovitost ove gorivne ćelije iznosi 60 – 80%, a radna temperatura oko 650 °C, zbog čega je nužna temperaturna izolacija. Ova izvedba ne sadrži skupe katalizatore u vidu platine. Primjena je vrlo ograničenja zbog velike topline. Ioni karbonata u elektrolitu sudjeluju u reakciji pa ga je potrebno nadomjestiti.

124


Slika. Shema gorivne ćelije s rastaljenim karbonatima.

U gorivnoj ćeliji s fosfornom kiselinom elektrolit je fosforna kiselina, a katalizator platina. Učinko-vitost iznosi 40 – 80%, a radna temperatura 150 - 200 °C. U ovoj izvedbi svi materijali moraju biti u mogućnosti podnijeti korozivnu kiselinu.

Slika. Gorivna ćelija s fosfornom kiselinom.

U gorivnoj ćeliji s polimernom membranom elektrolit je polimerna membrana, a kataliza-tor platina. Učinkovitost iznosi 40 – 50%, a radna temperatura je relativno niskih 80 °C. Budući da je elektrolit krut i fleksibilan, nema bojazni od curenja ili loma. Članak radi na ni-skoj temperaturi što ga čini prikladnim izborom za vozila i domove. U gorivnoj ćeliji s kru-tim oksidom elektrolit čini metalni oksid, najčešće cirkonijev dioksid, ZrO2. Učinkovitost iznosi oko 60%, a radna temperatura vrlo visokih 1,000 °C. Visoka temperatura smanjuje primjenjivost ovih gorivnih ćelija, koje su dimenzijama ogromne. Čvrsti elektrolit ne može procu-riti, ali može puknuti.

125


Slika. Gorivna ćelija s čvrstim elektrolitom.

Zbog visoke cijene, gorivne ćelije nemaju značajnu primjenu u elektroenergetskom sektoru.

126


VII. BIOMASA I BIOPLIN

Biomasa je najstariji izvor energije koji je čovjek koristio i predstavlja skupni pojam za brojne, najrazličitije proizvode biljnog i životinjskog svijeta. Samo razmislite koji je prvi čovjek susret s energijom (vatra, hranjive biljke) i shvatiti ćete da je ovaj obnovljivi izvor oduvijek prisutan u našim životima.

Biomasa je biorazgradivi dio proizvoda, otpada i ostataka poljoprivredne proizvodnje (biljnog i životinjskog porijekla), šumarske i srodnih industrija. Energija iz biomase dolazi u čvrstom, tekućem (npr. biodizel, bioetanol, biometanol) i plinovitom stanju (npr. bioplin, plin iz rasplinjavan-ja biomase i deponijski plin). Biomasa je obnovljivi izvor energije, a općenito se može podijeliti na drvnu, nedrvnu i životinjski otpad, unutar čega se mogu razlikovati:

• drvna biomasa (ostaci iz šumarstva, otpadno drvo),

• drvna uzgojena biomasa (brzorastuće drveće),

• nedrvna uzgojena biomasa (brzorastuće alge i trave),

• ostaci i otpaci iz poljoprivrede,

• životinjski otpad i ostaci,

• gradski i industrijski otpad.

Kao što možete uočiti, jedan od izvora energije biomase je biorazgradivi dio proizvoda otpada i ostataka biološkog podrijetla iz poljoprivrede (uključujući tvari biljnog i životinjskog podrijetla), šumarstva i srodnih proizvodnih djelatnosti, uključujući ribarstvo i akvakulturu, kao i biorazgradivi dio industrijskog i komunalnog otpada. Budući da je kontinuirani porast nastajanja organskog otpada jedan od glavnih problema zaštite okoliša suvremenog svijeta, potrebno je razmišljati o održivom upravljanju otpadom. Anaerobna digestija smatra se optimalnim procesom za tretiranje dobivene biomase kojim se kao rezultat dobiva bioplin i ekološki prihvatljivo gnojivo u poljop-rivredi.

Bioplin je mješavina plinova koja nastaje fermentacijom biorazgradivog materijala u okružju bez kisika. On je mješavina metana CH4 (40-75 %), ugljičnog dioksida CO2 (25-60 %) i otprilike 2 % ostalih plinova (vodika H2, sumporovodika H2S, ugljikovog monoksida CO). Bioplin je otprilike 20 % lakši od zraka i bez mirisa je i boje. Temperatura zapaljenja mu je između 650 i 7500C, a gori čisto plavim plamenom. Njegova kalorijska vrijednost je oko 20 MJ/Nm3 i gori sa oko 60 %-om učinkovitošću u konvencionalnoj bioplinskoj peći. Daljnjim procesima obrade bioplina omoguću-ju se novi načini njegovog iskorištavanja. Pročišćavanjem se dobiva biometan koji se može ko-ristiti kao pogonsko gorivo za vozila ili se pak plasirati u mrežu prirodnog plina.

JESTE LI ZNALI?

Finska danas više od 25% svojih potreba za energijom pokriva iz biomase.

U budućnosti će biomasa imati sve veću i veću ulogu u energetici i drugih država s obzirom da je to, uz energiju iz hidroelektrana, jedini izvor energije kojim danas znamo upravljati. Ovo posl-jednje nam je izuzetno važno kako bi omogućili da npr imamo dostupnu električnu energiju u svakom trenutku kada ju zatrebamo.

PREDNOSTI BIOGORIVA KAO OBNOVLJIVIH IZVORA

Glavna prednost u korištenju biomase i bioplina kao izvora energije su obilni potencijali, ne samo u tu svrhu zasađene biljne kulture već i otpadni materijali u poljoprivrednoj i prehrambenoj indus-triji. Plinovi koji nastaju korištenjem biomase mogu se također iskoristiti u proizvodnji energije. Prednost biomase u odnosu na fosilna goriva je i neusporedivo manja emisija štetnih plinova i

127


otpadnih tvari. Računa se da je opterećenje atmosfere s CO2 pri korištenju biomase kao goriva zanemarivo, budući da je količina emitiranog CO2 prilikom izgaranja jednaka količini apsorbira-nog CO2 tijekom rasta biljke ukoliko su sječa i prirast drvne mase u održivom odnosu.

JESTE LI ZNALI?

Jedan hektar šumskih površina godišnje apsorbira jednaku količinu CO2 koja se oslobađa izga-ranjem 88000 litara loživog ulja ili 134000 m3 prirodnog plina.

Međutim spaljivanje biomase stvaraju se i drugi zagađujući plinovi te otpadne vode. Samo je u velikim pogonima isplativa izgradnja uređaja za reciklažu otpada, dok u manjim to nije isplativo pa se postavlja pitanje koliko je to u ekološkom smislu profitabilno. Osim toga, prikupljanje, trans-port i skladištenje biomase vrlo je skupo što je još jedan nedostatak ove tehnologije. Korištenje biomase omogućava i zapošljavanje (otvaranje novih i zadržavanje postojećih radnih mjesta), povećanje lokalne i regionalne gospodarske aktivnosti, ostvarivanje dodatnog prihoda u poljo-privredi, šumarstvu i drvnoj industriji kroz prodaju biomase-goriva (procjenjuje se da je u 2005. godini na poslovima proizvodnje biomase i njenog korištenja za energiju na području Europske unije bilo zaposleno preko pola milijuna ljudi).

TEHNOLOGIJA PROIZVODNJE ENERGIJE IZ BIOMASE

Postoje razni načini da se iz drvne biomase dobije energija. Upotrebljava se isključivo šumska biomasa (ostaci i otpad nastali redovitim gospodarenjem šumama, prostorno i ogrjevno drvo) i biomasa iz drvne industrije (ostaci i otpad pri piljenju, brušenju, blanjanju -gorivo u vlastitim kotlovnicama, sirovina za proizvode, briketi i peleti - nastaju sabijanjem, odnosno prešanjem usitnjene drvne biomase u rasutom stanju radi transporta i automatizacije loženja, i dr. - jeftini-je i kvalitetnije gorivo od šumske biomase). Pri obradi drveta gubi se oko 35 - 40% od ulazne sirovine u procesu proizvodnje, a količina otpada za neke proizvode kao što su parketi iznosi i do 65%.

Biomasa se može izravno pretvarati u energiju jednostavnim sagorijevanjem (izgaranjem) te se tako proizvesti pregrijana vodena para za grijanje u industriji i kućanstvima ili za dobivanje elek-trične energije u malim termoelektranama. Takva postrojenja kao gorivo koriste drvni otpad iz šumarstva i drvne industrije, slama i drugi poljoprivredni ostaci te komunalni i industrijski otpad (u središtu se Beča izgrađena je velika kogeneracijska elektrana na Biomasu koja proizvodi top-linu za 12 000 obitelji, odnosno dovoljno električne energije za čak 45 000 obitelji). Osnovne su značajke pri primjeni šumske ili drvne biomase kao energenta jednake kao kod svakog goriva:

• kemijski sastav,

• ogrjevna (energetska) vrijednost,

• temperatura samozapaljenja,

• temperatura izgaranja,

• fizikalna svojstva koja utječu na ogrjevnost (npr. gustoća, vlažnost i dr).

Temeljna veličina za proračun energije iz određene količine drva jest njegova ogrjevnost (ogr-jevna vrijednost). Najveći utjecaj na nju ima vlažnost (udio vlage-za svježe drvo 50-55 %), potom kemijski sastav, gustoća i zdravost drva (u 2,5 kg ogrjevnog drva-cca 20% vlage- u prosjeku sadržano je energije kao u 1 litri loživog ulja).

Ogrjevna vrijednost se određuje mjerenjem u kalorimetru, pri čemu zrak i gorivo u ložište moraju doći pod istom temperaturom i nastali produkti izgaranja moraju biti ohlađeni na istu temperatu-ru. Razlikujemo gornju i donju ogrjevnu vrijednost.

Gornja ogrjevna vrijednost, Hg je ona količina topline koja nastaje potpunim izgaranjem jedinične količine goriva, pri čemu se dimni plinovi ohlade na temperaturu 25 °C, a vlaga se iz njih izlučuje

128


kao kondenzat.

Donja ogrjevna vrijednost, Hd je ona količina topline koja nastaje potpunim izgaranjem jedinične količine goriva, pri čemu se dimni plinovi ohlade na temperaturu 25 °C, a vlaga u njima ostaje u stanju pare te toplina kondenzata ostaje neiskorištena.

Pri opisivanju efikasnosti sustava uzimamo u obzir donju ogrjevnu vrijednost jer je ona realna, tj. uzima u obzir gubitke (gornja ogrjevna vrijednost upotrebljava se samo teoretski). Zbog većeg udjela vlage i hlapivih sastojaka (do 80%), energetska vrijednost drvne mase je znatno niža u odnosu na fosilna goriva, od 8,2 do 18,7 MJ/kg (za usporedbu: kamenog ugljena 24-37,7 MJ/kg, mrkog 12,7-23,9 MJ/kg, lignita do 12,6 MJ/kg), a i dizajn peći mora biti različit u odnosu na one za ugljen:

• izgaranje na rešetci (manji sustavi - manji troškovi, ali za vlažno neravnomjerno izgaranje, tj. veće emisije)

• fluidizirani sloj (veći sustavi - pogodno za goriva niske gorive vrijednosti, tj. sa većim ud-jelom vlage).

Za naše podneblje i vrste drveća važno je za njegovu ogrjevnost utvrditi ubraja li se ono u listače ili četinjače, odnosno u meko ili tvrdo drvo, jer je udio pojedinih sastojaka pri tome različit, a različita je i tvar koja se može koristiti kao gorivo. Smanjenjem vlažnosti biomase ogrjevna vri-jednost se uvelike povećava. Iz tog je razloga, za što bolje iskorištenje energije, korisno sušiti biomasu.

Osim ostale nedrvne biomase, u Hrvatskoj bi osobitu važnost mogli imati ostaci iz poljoprivrede, tj. poljoprivredna biomasa (kukuruzovina, oklasak, stabljike suncokreta, slama, ljuske, koštice višanja, ostatke pri rezidbi vinove loze i maslina, kore od jabuka). Iskustva iz razvijenih zemalja, u Europi osobito Danske, pokazuju kako se radi o vrijednom izvoru energije koji se ne bi trebao zanemariti. Ilustrativan je stoga sljedeći primjer.

Nakon berbe kukuruza na obrađenom zemljištu ostaje kukuruzovina, stabljika s lišćem, oklasak i komušina. Budući da je prosječni odnos zrna i mase (tzv. žetveni omjer) 53% - 47%, proizlazi kako biomase približno ima koliko i zrna. Ako se razluče kuruzovina i oklasak, tada je njihov odnos prosječno 82% - 18%, odnosno na proizvedenu 1 tonu zrna kukuruza dobiva se i 0,89 tona bio-mase kukuruza što čine 0,71 tonu kukuruzovine i 0,18 tona oklaska.

Iako je neosporno kako se nastala biomasa mora prvenstveno vračati u zemlju, preporučuje se zaoravanje između 30 i 50% te mase, što znači da za energetsku primjenu ostaje najmanje 30%. Na ogrjevne vrijednosti nedrvne biomase podjednako utječu udio vlage i pepela. Udio pepela u nedrvenim biljnim ostacima može iznositi i do 20% pa značajno utječe na ogrjevnost (npr. sla-ma-veći udio

Na, Cl, K-manja temperatura taljenja pepela-taloženje). Općenito, supstance koje čine pepeo nemaju nikakvu energetsku vrijednost (energetska vrijednost biljnih ostataka: 5,8 – 16,7 MJ/kg).

Osim ostataka i otpada postoji veliki broj biljnih vrsta koje je moguće uzgajati tzv. energetski nasadi sa velikim prinosima; kao što su brzorastuće drveće i kineske trske s godišnjim prinosom od 17 tona po hektaru, eukaliptus: 35 tona suhe tvari, zelene alge s prinosom od 50 tona po hek-taru, biljke bogate uljem ili šećerom, a u Hrvatskoj se najveći prinosi postižu s topolama, vrbama i jablanima.

Razmislite o primjeru koji vam može poslužiti za grubi izračun potencijala biomase: Ciklus mod-ernog uzgoja drvne mase namijenjene za gorivo je od 3 do 15 godina, ovisno o vrsti drveta koje se uzgaja. Prinos takvog uzgoja kreće se od 10 do 15 t/ha/god što omogućava da se sa 11.250 ha može dobiti drvne mase za pogon 30 MW. Takva elektrana dostatna je za opskrbu električnom i toplinskom energijom naselja od cca 30.000 kuća. Ukoliko odlučite sami pokušati izračunati potencijal biomase na nekom području, kao pomoć možete koristiti tablicu ispod.

129


130


U procesima izgaranja biomase, zbog njihova utjecaja na okoliš, posebna se pozornost posveću-je dimnim plinovima i krutom ostatku. Plinovita se emisija CO, NOx i ostalih štetnih tvari u suvre-menim postrojenjima svodi na najmanju moguću mjeru. Mjerenja u postojećim bioenerganama potvrđuju da su te emisije znatno ispod zakonom propisanih graničnih vrijednosti.

Malim toplinskim sustavom u korištenju biomase smatra se postrojenje za grijanje snage do 1 000 kW (1 MW). Takva postrojenja su manja i djelomično se razlikuju od sustava područnoga grijanja ( još ih zovemo sustavima centralnog grijanja). U zemljama EU postoji znatan broj takvih postrojenja koja se kao gorivom mogu koristiti svim vrstama biomase, no prevladavaju postrojen-ja na drvnu masu i slamu te su u pravilu automatizirana.

Sustavi područnoga grijanja na biomasu su najčešće toplinski sustavi snage od 1 do 10 MWt (oznaka MWt znači megavata toplinske energije), a često se grade tako da rade u kombinaciji s postojećim sustavima na loživo ulje ili ugljen.

Kao gorivo se upotrebljava slama ili drvna masa različita podrijetla. Postrojenja koja se kao pogonskim gorivom koriste biomasom najčešće se koriste sljedećim tehnologijama izgaranja:

• izgaranje u nepokretnom sloju u ložištima s rešetkom

• izgaranje u mjehurićastom fluidiziranom sloju (eng. Bubbling Fluidised Bed – BFB)

• izgaranje u cirkulirajućem fluidiziranom sloju (eng. Circulating Fluidised Bed – CFB)

• izgaranje sprašenog goriva u prostoru.

Odabir tehnologije najviše ovisi o veličini postrojenja. Kada je riječ o tehnološkim značajkama, iz-ravno spaljivanje biomase je uhodana tehnologija za pretvorbu biomase u toplinu na komercijal-noj razini. Izgaranje se danas najčešće provodi na rešetkastom ložištu koje omogućuje miješanje goriva i kontroliran dotok zraka.

JESTE LI ZNALI?

Naša najveća tvornica/proizvođač drvenog namještaja Spin Valis koristi „ostatke“ od izrade drvnog namještaja, dalje ih obrađuje i koristi za pogon vlastitog kogeneracijskog postrojenja na biomasu. To znači da sagorijevanjem drvne biomase istovremeno proizvode električnu i toplinsku energiju za vlastite potrebe (sušenje drveta na primjer) te na taj način maksimalnu iskorištavaju drvo kao sirovinu.

S gledišta uporabe toplinske energije u drvnoj industriji i poljoprivredi, u osnovi su prisutni nis-kotlačni i visokotlačni kotlovi i energetska postrojenja. Sami kotlovi na biomasu izvode se kao dimocijevni ili vodocijevni.

Dimocijevni se izvode uglavnom za postrojenja snage do 25 MW. Zbog uporabe u industrijskim pogonima, pogotovo u drvnoj industriji, dimocijevni kotlovi imaju izuzetno široku primjenu.

Industrijski vodocijevni kotlovi na biomasu rade se za veće industrijske potrošače i veća postro-jenja snage od 2 do 50 MW (znači za nešto veća postrojenja). Proizvodnja topline iz biomase u niskotlačnim kotlovima najraširenija je u manjim pogonima, ponajprije radi vlastitih potreba indus-trija za toplinom te tehnoloških potreba za vodom ili parom nižih parametara.

Ovi kotlovi i postrojenja se izvode kao toplovodni, vrelovodni i niskotlačni parni. Proizvodnja topline iz biomase u visokotlačnim kotlovima provodi se u većim pogonima radi grijanja te teh-noloških potreba za vodom ili parom viših parametara. Ovi se kotlovi i postrojenja izvode kao vrelovodni i parni za proizvodnju zasićene pare.

Primjenjuju se i parni kotlovi s pregrijačem pare (za parametre 40 bara i 400° - 450°C) koji obično rade u spojnom procesu s parnom turbinom. Uobičajeni kapaciteti pare su između 10 i 50 t/h.

131


ZNATE LI?

Znate li kako radi parna elektrana s pregrijačem? Na slici ispod prikazan je osnovni princip te opisan riječima.

Parna turbina s međupregrijanjem

Na slici vidimo shemu jedne parne elektrane s međupregrijačem; na sličan način radi i „tipična“ elektrana na ugljen (ali i biomasu). Voda, grijanjem u kotlu (od točke 1 do točke 2), prelazi u paru visokog tlaka (to je točka 2 na slici). Ta para se zatim dovodi do visokotlačnog dijela turbine. U visokotlačnoj turbini tlak i temperatura pare se smanje na račun stvaranja mehaničkog rada – to se događa od točke 2 do točke 3 na slici (taj „stvoreni“ mehanički rad je zapravo okretanje turbine, koja dalje pokreće generator čime se proizvodi električna energija).

Para se ponovo odvodi u kotao (promatramo proces od točke 3 do točke 4), dodatno zagrijava (dovodi se dodatna toplinska energija) i vraća u niskotlačni dio turbine (od točke 4 do točke 5), gdje smanjenjem temperature i tlaka para prelazi u tekuće stanje uz stvaranje mehaničkog rada (točka 5). Rashladna voda između točke 5 i 6 dodatno odvodi toplinu i proces se ponavlja.

Rešetkasta ložišta su dokazana i pouzdana tehnologija kojom se omogućava korištenje goriva različitih svojstava (udio vlage i veličina čestica), a razne izvedbe omogućuju visok stupanj kon-trole i učinkovitosti. No suvremeni razvoj usmjeren je na maksimalno smanjenje emisije, što je, kao alternativu sustavima s rešetkom, dovelo do razvitka tehnologije izgaranja u fluidiziranom sloju.

U rešetkastih ložišta uvjeti izgaranja nisu homogeni kao pri izgaranju u fluidiziranom sloju te je osjetljivost na promjene vlažnosti goriva i veličine čestica veoma izražena fluidiziranom sloju te je osjetljivost na promjene vlažnosti goriva i veličine čestica veoma izražena.

Slika Kotlovsko postrojenje loženo biomasom

132


Osim prethodno navedenoga, u razvoju i primjeni javljaju se i nekonvencionalni toplinski ciklusi za kogeneraciju bez korištenja vodene pare. Tako su prisutna turbinska postrojenja s vrućim zra-kom, pri čemu se komprimirani zrak ubacuje u zagrijački dio odgovarajućega kotla na biomasu te ekspandira u turbinskom dijelu turbokompresora, nakon čega može dalje predavati toplinu odgovarajućem procesu – grijanju ili tehnološkim potrebama. Ovo je pogodno za manja toplins-ka postrojenja u industriji gdje je potrošnja topline lokalna.

Iskorištavanje biomase u energetske svrhe podrazumijeva složene sustave s različitim sirovim materijalima i procedurama pripreme goriva, što svakako pruža i brojne različite mogućnosti primjene. Energetske tehnologije za iskorištavanje biomase mogu proizvesti toplinsku i/ili elek-tričnu energiju, ali i biogoriva (kruta, tekuća i plinovita). Danas se biomasom još uvijek najvećim dijelom koristi na tradicionalan način (kao ogrjevnim gorivom u kućanstvima i malim industrijskim postrojenjima) koji nije nužno i održiv.

Izuzetno velika prednost biomase u odnosu na ostale obnovljive izvore energije (primjerice, vjetar ili sunce) je njezina mogućnost skladištenja i uporaba prema potrebi. Dakle, biomasa može osigurati konstantnu, nepromjenjivu opskrbu energijom.

ZADATAK

Na poljoprivrednom zemljištu možemo uzgojiti 15t/ha biomase. Tu biomasu ćemo koristiti u elek-trani gdje je moguće „sagoriti“ 12 tona biomase na sat. Izgaranjem 1 kilograma biomase oslobo-di se 10 MJ toplinske energije. Samo 30% te toplinske energije možemo pretvoriti u električnu energiju, a elektrana može raditi najviše 7000 sati u jednoj godini. U promatranom gradu živi 100000 ljudi i znamo da prosječno kućanstvo troši oko 3500 kWh električne energije godišnje. Pokušajte izračunati koliko hektara poljoprivrednog zemljišta moramo imati za uzgoj biomase, kako bi mogli opskrbiti cijeli grad električnom energijom.

Pomoć:

1 kWh = 3,6 MJ

Prvo izračunajte koliko kroz cijelu godinu trebate električne energije za cijeli grad. Zatim tre-bate izračunati koliko toplinske energije morate proizvesti da bi dobili tu električnu energiju (to je električna energija podijeljena sa 0,3). Zatim zamislimo da elektrana tu toplinsku energiju može proizvesti u jednoj godini, te podijelimo to sa 7000 sati koliko elektrana godišnje radi da dobijemo koliko energije naša elektrana mora proizvesti svaki sat. Ako svaki sat iz jedne tone biomase u elektrani dobijemo 10 GJ energije (10 MJ puta 1000 kilograma), preostaje nam samo izračunati koliko tona trebamo svaki sat i koliko hektara trebamo za cijelu godinu.

TEHNOLOGIJA PROIZVODNJE ENERGIJE IZ BIOPLINA

Kontinuirani porast nastajanja organskog otpada jedan je od glavnih problema zaštite okoliša suvremenog svijeta, tako da je jedan od najvažnijih izazova stvaranje rješenja u održivom upravl-janju otpadom. Anaerobna digestija (AD) smatra se optimalnim procesom za tretiranje dobivene biomase, a kao rezultat se dobiva bioplin i ekološki prihvatljivo gnojivo u poljoprivredi.

Bioplin definiramo kao gorivi plin proizveden razgradnjom biološkog otpada pri anaerobnim uv-jetima koji se sastoji od metana, ugljikovog dioksida te ostalih plinova i elemenata u tragovima (tablica ispod). Nastaje na svakom mjestu gdje se organska tvar razgrađuje u vlažnom okruženju bez svjetla i zraka, npr. u močvarama, probavnom kanalu preživača, morskom sedimentu ili pri-likom nastanka treseta. Ovaj mikrobiološki proces razgradnje kompleksnih organskih spojeva djelovanjem različitih vrsta bakterija i mikroorganizama u potpunoj odsutnosti kisika naziva se anaerobna digestija. Osim što je karakterističan u prirodnim uvjetima, danas se primjenjuje u proizvodnji bioplina pomoću reaktora nepropusnima za zrak nazvanim digestorima te se kao rezultat dobivaju bioplin i digestat.

133


Spoj Kemijski simbol Udio (vol.%)

Metan CH4 50 - 75

Ugljikov dioksid CO2 24 - 45

Vodena para H2O 2 (20°C) - 7 (40°C)

Kisik O2 < 2

Dušik N2 < 2

Amonijak NH3 < 1

Vodik H2 < 1

Sumporovodik H2S < 1

Proizvodnja bioplina anaerobnom digestijom ima pozitivan učinak na okoliš budući da iskorištava veće količine nastalog otpada koji se koristi kao ulazna sirovina u procesu anaerobne digestije. Osim toga, kao rezultat se dobiva i vrijedno gnojivo, s poboljšanim karakteristikama gnojidbe u odnosu na stajski gnoj, koje poljoprivrednici mogu iskoristiti na poljoprivrednim površinama. Primjenom dobivenog digestata neugodni mirisi su reducirani, a dostupnost nutrijenata za biljke je povećana. Uz navedene prednosti, proizvodnja bioplina utječe i na smanjenje emisije stak-leničkih plinova, na ublažavanje posljedica globalnog zagrijavanja, na smanjenje ovisnosti o uvo-zu fosilnih goriva te na smanjenje potrošnje vode. Za sobom povlači i brojne socioekonomske koristi za društvo u cjelini, ali i za sudionike uključene u proizvodnju i iskorištavanje bioplina (slika ispod).

Poboljšano upravljanje otpadom

- Vraćanje nutrijenata u tlo- Smanjenje koncentracije patogena i sjemena korova

Socioekonomske i okolišne koristi

Ruralni razvoj

- Investicije- Povećanje energetske neovisnosti- Otvaranje novih radnih mjesta

Proizvodnjaobnovljive energije

- Lako dostupne sirovine (npr. stajski gnoj, kanalizacijski mulj, energetski nasadi)

Diversifikacijaenergije- Energetska sigurnost- Stabilne cijene- Smanjena ovisnost o uvozu energije

Smanjenje emisijestakleničkih plinova

- Smanjenje emisije CO2

- Smanjenje emisije metana (CH4)

Raznovrsnostupotrebe bioplina

- Proizvodnja električne energije, toplinske energije i biometana

Ekonomski aspekti

- Visoka investicija u početku, ali profitabilnost dugoročno gledano- Dodatni prihod za farmere

Digestat kao prirodno gnojivo

- Zamjena za mineralna gnojiva- Poboljšanje kvalitete tla

Jedna od glavnih prednosti proizvodnje bioplina jest ta što se kao ulazna sirovina za anaerobnu digestiju koriste veće količine otpada. Svakodnevno se u mnogim europskim zemljama proiz-vode velike količine otpada organskog podrijetla u području industrije, poljoprivredne proiz-vodnje, postrojenja za obradu otpadnih voda te kućanstava. Mnoge od tih sirovina, kao što su stajski gnoj, gnojovka, žetveni ostatak, organska frakcija mulja dobivena pročišćavanjem otpad-nih voda, organski otpad iz mliječne i prehrambeno-prerađivačke industrije, ugostiteljskih djelat-nosti i kućanstava mogu se iskoristiti u proizvodnji bioplina. Ugrubo bismo ih mogli podijeliti na sirovine dobivene poljoprivrednom proizvodnjom te na ostali organski otpad.

134


Stajski gnoj i gnojovka količinski su najzastupljeniji nusproizvodi u poljoprivrednom sektoru i tradi-cionalna sirovina za proizvodnju bioplina. Njihovim korištenjem u proizvodnji bioplina smanjuje se emisija stakleničkih plinova te se dobiva kvalitetno organsko gnojivo za poboljšanje kvalitete tla. Kao nedostatak ove sirovine u usporedbi s organskim otpadom ili energetskim usjevima navodi se značajno manja energetska vrijednost. Iz tog razloga potrebni su veći volumeni reak-tora i troškovi ulaganja po proizvedenom kWh nego u slučaju proizvodnje iz sirovina s većom energetskom vrijednošću. Energetski usjevi mogu se ciljano uzgajati za proizvodnju bioplina. Usjevi s visokim prinosom kao kukuruz, cikla, krumpir i travnata silaža također se mogu koristiti kao supstrat u procesu AD. Miješanje energetskih usjeva s gnojovkom s farmi učestala je praksa s ciljem povećanja prinosa i stabilizacije procesa. Potencijalni prinos za proizvodnju bioplina iz pojedine sirovine prikazuje slika. Izbor određene sirovine temelji se na podacima o dobivenom bioplinu iz određene sirovine, dostupnosti sirovine tijekom godine te na zadovoljenju određenih propisa. Uzimajući u obzir vrstu sirovine, prinos bioplina kreće se u širokom rasponu. Ako se bio-plin proizvodi postupkom kodigestije (postupak u kojem se u procesu AD koristi mješavina dvaju ili više supstrata), mogu se očekivati i višestruki prinosi.

Uzgoj biljaka za proizvodnju bioplina omogućuje poljoprivrednicima ostvarivanje dodatnog pri-hoda. U razdobljima bogatih prinosa kada postoji višak poljoprivrednih proizvoda ili u slučaju vremenskih nepogoda kada ti proizvodi nisu odgovarajuće kvalitete da bi se koristili za hranu, usjevi se ipak mogu iskoristiti kroz proizvodnju bioplina. Problem koji se javlja u zemljama sa značajnim udjelom energetskih usjeva jest nadmetanje za obradivim površinama, posebno u regijama s razvijenim stočarstvom. S ciljem sprječavanja ovakvih problema potrebno je obratiti pažnju na specifične uvjete pojedine regije. Ostali otpad kojim se dobiva biomasa za proizvodnju bioplina čine organski dio komunalnog otpada, kanalizacijski mulj dobiven obradom otpadnih voda, klaonički otpad te otpad iz supermarketa kojeg čini meso i ostali prehrambeni proizvodi s isteklim rokom trajanja.

Prije procesa anaerobne digestije otpad prikupljen iz prehrambeno-prerađivačke industrije, s tržnica i supermarketa te komunalni otpad, potrebno je obraditi i odvojiti nečistoće kao što su plastika ili ostaci pakiranja proizvoda. Zbog toga se ovaj proces razlikuje od anaerobne digestije koja kao ulaznu sirovinu koristi poljoprivrednu biomasu ili kanalizacijski mulj. Ostaci životinjsk-og podrijetla zahtijevaju posebnu kontrolu te su propisana pravila postupanja i iskorištavanja životinjskih nusproizvoda. U ovom je slučaju potrebno pažljivo upravljanje i odgovarajuća teh-nologija bioplinskog postrojenja. Kanalizacijski mulj odnosi se na ostatke dobivene obradom ot-padnih voda. Anaerobna digestija je vrlo učinkovita tehnologija za ovu vrstu otpada jer smanjuje volumen i hlapljivost mulja. Ostatak digestata, nakon provjere sadrži li toksične elemente, može se transportirati do odlagališta otpada ili iskoristiti kao gnojivo za biljke prilikom uređenja okoliša. Anaerobna digestija je proces razgradnje organske tvari bez prisutnosti kisika gdje kao rezultat nastaju bioplin i digestat. Postupak u kojem se za proces anaerobne digestije koristi homogena mješavina iz dvaju ili više supstrata naziva se kodigestija i najčešći je način proizvodnje bioplina. Kao supstrat anaerobne digestije mogu poslužiti različiti tipovi biomase.

135


Tijekom proizvodnje bioplina nastaje vrlo malo topline u usporedbi s aerobnom razgradnjom ili kompostiranjem. Energija koja se nalazi u kemijskim vezama supstrata oslobađa se u obliku met-ana. Proces nastanka bioplina rezultat je niza povezanih procesnih koraka tijekom kojih se inici-jalni supstrat razlaže na sve jednostavnije spojeve, sve do nastanka bioplina. U tom su procesu naglašene četiri glavne faze: hidroliza, acidogeneza, acetogeneza i metanogeneza (slika gore). Ovi se koraci odvijaju paralelno u vremenu unutar spremnika za digestiju, a brzina ukupnog pro-cesa razlaganja jednaka je najsporijoj reakciji u nizu.

Hidroliza

Hidroliza je teoretski prva faza anaerobne digestije tijekom koje se organska tvar (polimeri) ra-zlaže na manje jedinice zvane monomeri i oligomeri. U ovom procesu sudjeluje široki spektar bakterija koje izlučuju egzoenzime koji razgrađuju čestice supstrata.

Acidogeneza

Tijekom ove faze proizvodi hidrolize se uz pomoć acidogenih bakterija (fermentacije) trans-formiraju u metanogene spojeve. Jednostavni šećeri, aminokiseline i masne kiseline razgrađuju se na acetat, ugljikov dioksid i vodik (70%) te na hlapljive masne kiseline i alkohole (30%).

Acedogeneza

Tijekom acedogeneze se proizvodi fermentacije koji se ne mogu metanogenim bakterijama di-rektno transformirati u metan pretvaraju u metanogene spojeve. Hlapljive masne kiseline i alko-hol oksidiraju u acetat, vodik i ugljikov dioksid. Tijekom metanogeneze vodik se transformira u metan. Procesi acetogeneze i metanogeneze uglavnom se odvijaju paralelno kao simbiotsko djelovanje dvije grupe organizama.

Metanogeneza

U ovom procesu je proizvodnja metana i ugljikovog dioksida potaknuta aktivnošću metanogenih bakterija. 70% metana nastaje iz acetata, a ostalih 30% nastaje pretvorbom iz vodika i ugljičnog dioksida. Ovaj je proces ključan u sveukupnom procesu anaerobne razgradnje jer predstavlja najsporiju biokemijsku reakciju u proizvodnji bioplina. Uspješnost metanogeneze znatno ovisi o sastavu sirovine, stupnju dopune digestora, temperaturi i pH vrijednosti supstrata. Učinkovitost anaerobne digestije ovisi o nekoliko ključnih parametara. Vrlo je važno osigurati optimalne uv-jete za razvoj anaerobnih mikroorganizama. Na njihov rast i aktivnost snažno utječe nedostatak kisika, temperatura, pH vrijednost, opskrbljenost hranjivima, intenzitet miješanja te prisutnost inhibitora. Metanske bakterije strogi su anaerobi i zato se mora spriječiti svaki dotok kisika u digestor.

Bioplinsko postrojenje je složena instalacija koja se sastoji od širokog spektra glavnih elemenata. Ipak, kao osnovni element nameće se digestor ili fermentator (spremište za reakciju AD) na ko-jeg se zatim nastavljaju razne druge komponente (slika ispod). Izgled postrojenja znatno ovisi o vrsti i količini sirovine koja će se koristiti u proizvodnji bioplina. Sirovina za anaerobnu digestiju dolazi u mnoštvu različitih oblika različitog podrijetla, pa se za preradu pojedinih vrsta sirovina koriste ra-zličite tehnike i tehnologije te različite konstrukci-je fermentatora i sustavi radnog procesa. Ovisno o tipu, veličini i radnim uvjetima procesa biop-linskog postrojenja, moguće je implementirati i ra-zličite tehnologije za kondicioniranje, skladištenje i korištenje bioplina. Skladištenje i korištenje di-gestata prvenstveno je orijentirano na korištenje

Digestor

Skladište bioplina

Post-digestija

Jedinica za proizvodnju

energije

Bioplin

Energija

Skladištenje digestata

Primjena digestata

Skladištenje supstrata

Spremnik za

miješanje

136


digestata kao gnojiva i neophodne su mjere zaštite okoliša koje se odnose na digestat.

Proces proizvodnje bioplina u poljoprivrednim bioplinskim postrojenjima obično se odvija u četiri faze (slika ispod):

• Transport, isporuka, skladištenje i prethodna obrada sirovine;

• Proizvodnja bioplina (AD) u reaktoru za bioplin;

• Skladištenje digestata u spremniku, eventualno kondicioniranje i primjena digestata kao gnojivo;

• Skladištenje i kondicioniranje bioplina u spremniku za bioplin te korištenje u kogeneraci-jskoj jedinici.

Navedene faze procesa međusobno su čvrsto povezane, a posebno druga i četvrta faza jer se u četvrtoj fazi dobiva neophodna toplinska energija za odvijanje procesa u drugoj fazi. Vrsta i raspored elemenata bioplinskog postrojenja ponajprije ovisi o dostupnoj sirovini, a njezina količi-na određuje veličinu fermentatora, kapacitet skladišta i kogeneracijskog postrojenja. Procesna tehnologija određuje se prema kvaliteti sirovine (udio suhe tvari, struktura, porijeklo...).

Proizvodnja bioplinaAnaerobna digestija unutar digestora (reaktora, fermentatora)

1. Faza procesa

Digestat Bioplin 2. Faza procesa

Skladištenje digestata i/ili post-digestijaKondicioniranje digestata

Odvajanje tekućine od krutog dijela (opcija)

Odlaganje, kompostiranje

Tekuće gnojivo

Odlaganje ili kompostiranje bez odvajanja tekuće i krute

frakcije

3. Faza procesa

Dostava i skladištenje

Kondicioniranje i priprema (opcija)Odvajanje, sortiranje, drobljenje,

miješanje, homogenizacija

Unošenje, transport, doziranje

Kondicioniranje i skladištenje bioplinaSušenje, desumporizacijaBioplin

Korištenje bioplinaProizvodnja električne i toplinske energije

4. Faza procesa

Proizvedeni bioplin se skladišti, kondicionira i koristi za proizvodnju energije. Nakon što bioplin napusti fermentator zasićen je vodenom parom te sadrži metan (CH4), ugljikov dioksid (CO2) i sumporovodik (H2S). Sumporovodik je otrovan plin neugodna mirisa koji u kombinaciji s voden-om parom iz bioplina stvara sumpornu kiselinu. Zbog korozivnog djelovanja kiseline na velik broj komponenti nužno je provesti desumporizaciju i sušenje bioplina, a ovisno o namjeni bioplina potrebne su i druge mjere kondicioniranja bioplina.

137


JESTE LI ZNALI?

Da bi upogonili motor snage oko 50 kW potreban je izmet oko 120 krava. 50 kW u postrojenju biomase je snaga/energija (ako pretpostavimo da možemo upravljati takvim postrojenjem i da ono može tijekom cijele godine raditi s maksimalnom snagom) dovoljna za potrebe jednog manjeg sela.

Zadatak

Znate li koliko je to 50 kW? Razmislite koje sve uređaje biste u svom kućanstvu (i koliko njih) morali istovremeno koristiti da biste trebali snagu 50kW? Koristeći primjer iznad izračunajte površinu koja vam je potrebna za rad elektrane snage 50 kW.

Važno je da razlikujete snagu (izražavamo ju u jedinicama W, kW ili MW) i energiju (nju izraža-vamo u jedinicama Wh, kWh, MWh). Znate li kolika je snaga jedne žarulje koju imate u vašem kućanstvu? Znate li koja je energija potreba toj žarulji tijekom jednog dana?

POTENCIJALI PROIZVODNJE BIOPLINA I BIOMASE

Odluka o odgovarajućoj tehnologiji primjenjivoj u određenom razmatranom slučaju ovisi o teh-nički ostvarivoj proizvodnji energije koja se može ostvariti uporabom te tehnologije, ali i o ekon-omskim karakteristikama te tehnologije koje uzimaju u obzir troškove i sve ostale ograničavajuće činitelje. Sveukupna analiza potencijala podrazumijeva detaljna istraživanja svakog od nave-denih potencijala:

• Teorijski potencijal – podrazumijeva cjelokupan energetski potencijal koji se može os-tvariti primjenom pojedine energetske tehnologije. U jugoistočnoj Europi teorijski po-tencijali pojedinih tehnologija, posebice sunčeve energije, energije vjetra i energije bio-mase su veliki.

• Fizički potencijal – podrazumijeva dio cjelokupna energetskog potencijala koji je ograničen današnjim karakteristikama procesa. Dakle, to je količina energije koja se može dobiti iz raspoloživoga obnovljivog izvora energije korištenjem poznate tehnologi-je (buduće tehnologije moraju se ocijeniti prema učinkovitosti pretvorbe – jesu li pobol-jšane i koliko).

• Proizvodno-inženjerski potencijal – podrazumijeva cjelokupan energetski potencijal koji nije ograničen proizvodnim kapacitetima u nekoj regiji, primjerice zemljama jugoistočne Europe.

• Ekološko-topografski potencijal – podrazumijeva dio cjelokupna energetskog potencija-la koji nije ograničen činiteljima utjecaja na okoliš, kao što su emisije onečišćujućih tvari u zrak, vodu, tlo, buka te izmjena krajobraza.

• Ekonomski potencijal – podrazumijeva dio cjelokupna energetskog potencijala koji je ekonomski (troškovno) usporediv s konvencionalnim tehnologijama.

Izvori biomase obilni su diljem svijeta. Biomasa u zadovoljavanju svjetskih energetskih potreba danas sudjeluje s približno 14% (oko 60 EJ/godišnje, vidi sliku ispod) i ponajprije potječe od os-tataka poljoprivredne i drvne proizvodnje te iz šuma. No izazov korištenja biomase nije toliko u njezinoj raspoloživosti, koliko u održivom gospodarenju, pretvorbi i isporuci na tržište u obliku moderne i dostupne energetske usluge. Tehnologije za proizvodnju električne energije izga-ranjem biomase komercijalno se primjenjuju u mnogim zemljama. Procijenjeno je da instalirani kapaciteti za proizvodnju električne energije iz biomase iznose 40 GWel.

138


Najveći instalirani proizvodni kapaciteti iz krute biomase nalaze se u Brazilu, Kini a zatim SAD (slika ispod).

S druge strane najveće instalirane energetske proizvodne kapacitete ima Njemačka, zatim SAD pa Ujedinjeno Kraljevstvo (slika ispod).

139


Republika Hrvatska, kao zemlja s velikim šumskim potencijalom (44% kopnenog šumskog teri-torija) i sa značajnom ulogom poljoprivrede te brojnim drvno prerađivačkim pogonima, ima na raspolaganju velike količine biomase različita podrijetla kojima se može koristiti za proizvodnju energije. Prema različitim scenarijima (razvitak poljoprivrede i šumarstva, uvođenje novih teh-nologija i mehanizama potpore i sl.) očekuje se da će tehnički potencijal biomase u 2030. go-dini iznositi između 50 i 80 PJ. Dosad se koristila svega manja količina raspoložive biomase i to većinom na energetski neefikasan način za grijanje kućanstava, a u energetskoj politici nije zauzimala značajno mjesto. Za proizvodnju električne energije iz biomase u Hrvatskoj moguće je predvidjeti nekoliko scenarija razvitka, a ukupan se potencijal 30-ak identificiranih projekata za proizvodnju električne energije, bilo u elektranama ili u energanama na biomasu, procjenjuje na oko 1 TWh/god. Ipak, od biomase se očekuje znatno veći doprinos u području toplinske proiz-vodnje u odnosu na ulogu u hrvatskom elektroenergetskom sustavu, barem u bližoj budućnosti. Doprinos u elektroenergetici u velikoj mjeri ovisit će o cijenama same biomase (goriva) na tržištu, koje za sada ne postoji u Hrvatskoj.

JESTE LI ZNALI?

Strategiji energetskog razvoja Republike Hrvatske predviđa da će do 2020. godine u Hrvatskoj biti instalirano 120 MW elektrana koje će proizvoditi električnu energiju koristeći biomasu i bio-plin kao gorivo. Danas u Hrvatskoj imamo ukupno oko 4000 MW instaliranih kapaciteta za proizvodnju električne energije što znači da bi biomasa 2020. godine trebala sudjelovati sa 3%.U istoj strategiji navodi se da će Republika Hrvatska poticati proizvodnju i uporabu bioplina, domaću proizvodnju bioplinskih postrojenja te izgradnju distribuiranih izvora energije (iskoris-tivih za potrebe samih farmi, ali i lokalne zajednice) radi zbrinjavanja otpada iz poljoprivredne proizvodnje, smanjenja emisije stakleničkih plinova, ali i poticanja razvoja poljoprivrednih gos-podarstava. Isto tako, postavljen je cilj da se iz poljoprivredne proizvodnje u 2020. godini u energetske svrhe iskoristi ekvivalent od barem 20% ukupnih uvjetnih grla i da se tako proizvede oko 2,6 PJ energije iz bioplina odnosno oko 100 milijuna m3 bioplina.

Zadatak

Istražite koliko je Hrvatska uspješna u provođenju svojih energetskih strategija o proizvodnji energije iz biogoriva.

Bioplin sudjeluje u svjetskoj proizvodnji električne i toplinske energije s oko 5% (toplinska en-ergija) odnosno 21% (električna energija), kao što vidimo na slici ispod.

ZA ONE KOJI ŽELE ZNATI VIŠE

Ukoliko želite pokušati izračunati potencijal bioplina svoje regije, potražite kalkulator na strani-cama http://ceprosard.org.mk/Baza/B_EN/Biogas_kalkulator.aspx. U sklopu Europskog projek-ta Biogas Regions razvijen je ovaj jednostavni alat kojim je moguće napraviti grubu procjenu potencijala svake regije.

140


POVIJEST RAZVOJA TOPLINSKIH SUSTAVA

Često se s pravom kaže kako je potreba za grijanjem jedna od osnovnih čovjekovih potreba. Prvi sustavom „grijanja“ koji je čovjeku poznat možemo smatrati izlaganje Sunčevim zrakama. Tek nakon otkrića vatre, čovjeku je omogućena zaštita od hladnog vremena tijekom bilo kojeg doba dana i godine. Prvi složeniji sustavi grijanja na području Europe nastaju tek u antičko doba. Bili su to sustavi centralnog toplozračnog površinskog grijanja koju su bili poznati pod nazivom hipoakustično grijanje. Kao prijenosnik energije pri tome je služio topli zrak koji se zagrijavao u otvorenom ložištu (hipokaustu) koje je bilo smješteno na jednom mjestu u građevini, najčešće u podrumu (primijetite da su danas tako smještene kotlovnice u zgradama).

Tako zagrijan zrak zajedno s dimnim plinovima do prostorija su razvodile posebno izvedene šupljine u zidovima i podovima (tzv tubule). U srednjem vijeku u europskim zemljama nije zabilježen neki značajniji pomak u razvoju tehnike grijanja, gotovo cijelo to razdoblje kao izvor topline u nastambama običnog puka služi otvoreno ognjište postavljeno u središte prostorije. Do novih rješenja u tehnici grijanja započinje tek u doba većeg naseljavanja u gradove, s obzirom da je nekontrolirani otvoreni plamen u kućama u gradu lako mogao izazvati požar.

Prvo veliko poboljšanje predstavljale su kaljeve peći koje su se uz određene tehničke izmjene poboljšanja održale do danas (primjerice u starim zgrada centra Zagreba to je i dalje vrlo rasprostranjen način grijanja). Najznačajnije novosti pojavljuju se u 18. stoljeću. Godine 1716. u Švedskoj je izveden prvi sustav centralne pripreme potrošnje tople vode, a 1745. godine u Engleskoj je izveden prvi sustav parnog grijanja.

Godine 1763. proizvedena je prva peć na drva s povećanom učinkovitošću – to je bila posljedica velike nestašice energenata zbog nekontrolirane sječe šuma u tadašnjoj Pruskoj (danas je to prostor istoka Njemačke i Poljske). Prava revolucija započinje otkrićem parnog stroja za što je zaslužan James Watt koji prvi počinje koristiti radijatore s parom. U isto vrijeme u Francuskoj započinje primjena centralnog toplovodnog grijanja u inkubatorima za uzgoj pilića i u staklenicima. U prvoj polovici 19. stoljeća dolazi do razvoja vrelovodnog i toplovodnog grijanja (primijetite da slične principe i danas koristimo).

Osim promjena u tehnologiji i izvedbi dolazi i do promjene u gorivu. Do tada isključive energente kao što su drvo, životinjski izmet, biljni otpad i treset počinju polako zamjenjivati fosilna goriva; najprije ugljen, a zatim nafta i plin (primijetite da nas trendovi danas vraćaju natrag na korištenje istih goriva kao prije druge polovice 19. stoljeća – na biomasu i bioplin). Tehnički razvoj u 20. stoljeću donosi brojne novosti, izgrađene su prve toplane i toplinski sustavi. Tijekom drugog svjetskog rata sve više dolazi do povezivanja sustava grijanja i pripreme tople vode. U doba tzv energetske krize u sedamdesetim godinama dvadesetog stoljeća dolazi do promjene u tehnici grijanja; sve više su zahtjevi na većoj učinkovitosti, što znači smanjenje potrošnje goriva uz zadržavanje komfora korisnika.

U to vrijeme nastaju prvi niskotemperaturni kotlovi i počinje primjena regulacije u ovisnosti o vanjskoj temperaturi. Otprilike u isto vrijeme počinje donošenje zakona u zemljama Zapadne Europe kojima se potiče smanjenje toplinskih gubitaka građevina, odnosno poboljšanju njihove toplinske izolacije (za detalje o ovom dijelu možete pogledati dio u energetskoj učinkovitosti).

UGODNOST I TOPLINSKA UGODNOST

Ugodnost (komfor, udobnost) je svijest jedne ili više osoba o ugodnoj okolici i njezino posti-zanje je osnovni zadatak svakog sustava grijanja, ventilacije i klimatizacije. Ona je subjektivan i individualan osjećaj, odnosno nije mjerljiva veličina. Toplinska ugodnost određena je s nekoliko osnovnih čimbenika:

• Temperaturom zraka u prostoriji

• Srednjom temperaturom ploha prostorije

141


• Vlažnošću zraka u prostoriji

• Brzinom zraka u prostoriji

• Razinom buke u prostoriji

• Namjenom prostorije

• Razinom i vrstom aktivnosti koje se odvijaju u prostoriji

• Odjećom osoba koje borave u prostoriji

Svaki od tih čimbenika vezan je barem uz jedan od tri pojma iz čijeg međudjelovanja proizlazi pojam ugodnosti:

• Osobu (od koje polazi sam osjećaj ugodnosti

• Prostoriju: u kojoj je potrebno stvoriti osjećaj ugodnosti

• Sustavi grijanja (ili ventilacije/klimatizacije) kojima je zadatak postizanje ugodnosti

Temperatura zraka je jedan od najvažnijih čimbenika ugodnosti, pri čemu se neke njezine vrijed-nosti mogu opisati kao ugodne ili nepodnošljive. Primjer je dan u tablici ispod

Temperatura zraka t

zr oC

Osjećaj djelovanje

temperature ugodnosti fiziološko Na zdravlje

<11,5 Vrlo hladno Neugodno • Drhtanje mišića • Prestaje potkož-na cirkulacija krvi

11,5 – 15,5 Prilično hladno

Ne sasvim ugodno

• Sušenje kapila-ra u udovima

• Povećani gubici topline

• Potrebno je utopliti i kretati se

• Lagani bol u mišićima

• Povećano isušivanje kože

15,5 – 20 Hladno

20 – 23 ProhladnoUgodno

• Normalna reg-ulacija tjelesne temperature

• Normalno stanje23 – 26,5 Neutralno

26,5 – 30,5 Toplo Ne sasvim ugodno

• Znojenje

• Proširenje pot-kožnih kapilara

• Mogućnost top-linskog udara30,5 – 35 Vrlo toplo

35 – 38 Vruće

Neugodno

• Povećano zno-jenje

• Povećana cirku-lacija krvi

• Smetnje u radu srca

• Opasnost top-linskog udara

38 – 40,5 Vrlo vruće

>40,5 Nepodnošljivo nepodnošljivo

• Brz porast tje-lesne tempera-ture

• Prestanak regu-lacije tempera-ture tijela

• Kolaps, prekid optoka krvi

Neke preporučene vrijednosti temperature zraka u prostoriji ovisno o vanjskoj temperaturi mogu se pronaći u normama, smjernicama i propisima a navedene su u tablicama ispod.

Tablica Iskustvene vrijednosti temp.i vlažnosti zraka u različitim prostorijama

142


Namjena prostorija

Ljeto Zima

Visoka udobnost Uobičajena vrijednost

tzr, oC

ϕ, %

tzr, oC

ϕ, % ∆t, oCϕ, %

tzr, oC

tzr, oC

Stanovi, kuće, hoteli, uredi, bolnice, škole 23-24

50-45

25-2650-45 1-2

23-24

35-30-1,5 do -2

Banke, trgovine, robne kuće, frizerski kozmetički saloni

24-2650-45

26-2750-45 1-2

22-23

35-30-1,5 do -2

Restorani, barovi, kuhinje, slušaonice, crkve

24-2655-50

26-2760-50 0,5-1

22-23

40-35-1 do -2

Tvornički pogoni 25-2755-45

26-2960-50 2-3

20-22

35-30-2 do -3

Tablica Temperature u prostoriji tijekom zime prema HRN EN 12 831

Vrsta ili namjena prostorije Temperatura u prostoriji, oC

Kupaonice 24

Stambene prostorije 20

Uredske prostorije, velike uredske prostorije 20

Prostorije za sastanke, predavaonice, učionice 20

Restorani, kafići 20

Dječji vrtići, jaslice 20

Trgovački centar 16

Muzej, galerija 16

crkva 16

Tablica Temperature u prostoriji tijekom zime prema HRN EN 12 831

JESTE LI ZNALI?

Često se u kućanstvima nalaze uređaji za mjerenje temperature i relativne vlažnosti zraka. No znate li koja je „optimalna“ temperatura i vlažnost zraka u prostoriji u ovisnosti o vanjskoj temperaturi? Provjerite u tablici ispod

Vanjski zrak Zrak u prostoriji

Temperatura tok

, oC Temperatura tzr, oC

Relativna vlažnost ϕ, %

Donja granica Gornja granica

<20 22 30 65

20 22 30 65

25 23 30 65

30 25 30 60

32 26 30 55

Provjerite, ako imate, kakva je temperatura i vlažnost zraka u vašoj kući/stanu u odnosu na van-jsku temperaturu. Nalazi li se u „idealnim“ granicama?

143


VIII. INTERAKCIJA TOPLINSKE I ELEKTRIČNE ENERGIJE

Trendovi u energetici danas ponovo traže učinkovitije korištenje raspoloživih primarnih izvora energije. Dodatno, veliki naglasak u većini energetskih strategija stavljen je obnovljive izvore energije, odnosno na proizvodnju električne energije iz izvora kao što su voda (hidroelektrane), sunce (fotonaponski sustavi) i vjetar (vjetroturbine i vjetroelektrane); sve aktivnosti vezane za pro-mociju/strategije/aktivnosti integracije obnovljivih izvora i smanjenje emisija CO2 zovemo zajed-ničkim imenom - dekarbonizacija. Uočite da se uglavnom u kontekstu dekarbonizacije govori o proizvodnji električne energije, dok su drugi korisni oblici koje susrećemo u svakodnevnom živo-tu gotovo zanemareni. Te u posljednje vrijeme se sve više spominje dekarbonizacija transporta (elektrifikacijom prijevoza kroz električna vozila je danas najzanimljivije rješenje), kao i smanjenje CO2 emisija u sektoru grijanja i proizvodnje toplinske energije.

JESTE LI ZNALI?

Električna energija danas čini oko 30% energetskih potreba (isto tako i emisija CO2), dok toplins-ka energija često čini i više od 40% CO2 emisija (ovisi o zemlji). Graf ispod prikazuje takozvani Sankeyev dijagram, odnosno prikazuje „strukturu“ energetskih potreba u Velikoj Britaniji. Uočite koliki je udio električne energije u potrošnji kućanstva? Kolika je potreba za toplinskom energi-jom (procijenimo da je potreba za toplinskom energijom jednaka 80% potreba za prirodnim plinom u kućanstvu)

Zadatak

Potražite svoj mjesečni (ili za više mjeseci) račun za električnu energiju (ili popularno struju). Potražite koliko mjesečno „potrošite struje“ (pomoć: to je energija koja piše u jedinici kWh). Sad potražite svoj račun za grijanje ili plin. Koliko toplinske energije ste „potrošili“ u mjesec dana?

144


Imate li veće potrebe za toplinskom ili električnom energijom? Koliko (Napomena: ovaj zadatak nažalost nije primjenjiv ukoliko se grijete na struju)?

Kao najvažnije tehnologije u dekarbonizaciji toplinskog sektora najčešće se spominju: solarno grijanje (obrađeno u poglavlju o energiji sunca), kogeneracijska postrojenja i dizalice topline (dizalice topline su visoko učinkovit način grijanja na električnu energiju, a djelomično su već obrađene u poglavlju o geotermalnoj energiji).

DIZALICE TOPLINE

Dizalice topline su uređaji pomoću kojih se toplinska energija iz jedne sredine prenosi u drugu. Za taj prijenos toplinske energije se troši određena energija koja je nekoliko puta manja od prenijete. Zbog toga su dizalice topline vrlo prikladne kao izvori toplinskog učina u sustavima grijanja, pripreme potrošne tople vode, ventilacije i klimatizacije. Dizalice topline rade na principu kružnog procesa. Kružni proces je slijed promjena u nekom sustavu nakon čijeg je završetka on ponovno u termodinamički istom početnom stanju, a taj se slijed može ponavljati proizvoljan broj puta. Posljedice kružnog procesa su promjene u okolici sustava, poput obavljanja rada ili prijenosa topline.

Kružni procesi mogu biti desnokretni i lijevokretni. U desnokretnim kružnim procesima se prom-jene odvijaju u smjeru kretanja kazaljki na satu i njihov je cilj dobivanje rada. U takvim procesima dolazi do pretvorbe jednog dijela dovedene toplinske energije u mehaničku, odnosno u rad. Primjeri desnokretnog kružnog procesa su parni strojevi, plinske turbine i slično. Kod lijevokret-nih kružnih procesa promjene se odvijaju u smjeru suprotnom kretanju kazaljki na satu i njihov je cilj izmjena topline između dva toplinska spremnika.

Za prijenos topline od toplinskog spremnika na višoj temperaturnoj razini kružnom procesu treba dovesti kompenzacijsku energiju. Primjeri lijevokretnih kružnih procesa su hladnjaci ili toplinske pumpe. Stoga će ovaj rad biti baziran na lijevokretnom kružnom procesu. Kao referentan za oc-jenu kružnih procesa se koristi Carnotov kružni proces. Kod takvog se procesa radnom mediju dovodi mehanički rad izvana kako bi se omogućilo da mu se pri nižoj temperaturi iz neposredne okolice dovodi toplina i da potom pri višoj temperaturi predaje toplinu neposrednoj okolici.

Ovisno o tome da li se u zadanom slučaju korisnim smatra grijanje ili hlađenje promatranog medi-ja, razlikuju se procesi u rashladnim uređajima i u dizalicama topline. Kod rashladnog uređaja je toplinski spremnik na višoj temperaturnoj razini je neposredna okolica uređaja, dok je spremnik na nižoj temperaturnoj razini prostor koji se treba ohladiti. S druge strane, kod dizalica topline je slučaj obrnut, tj. na višoj temperaturnoj razini je prostor koji se treba ohladiti, a spremnik na nižoj temperaturi neposredna okolica uređaja.

Lijevokretni kružni proces se također može voditi tako da bude rashladno-ogrjevni, pa se može istodobno koristiti i za hlađenje i za grijanje prostora.

Faktor grijanja ili toplinski množitelj (COP, coefficient of performance) je osnovni pokazatelj učinkovitosti rada dizalica topline. Jednak je omjeru toplinske energije koju je dizalica topline dovela nekom prostoru ili mediju i pogonske energije kojom se ostvaruje proces u njoj. Drugim riječima, to je omjer toplinskog učina koji dizalica topline preko kondenzatora predaje prostoru ili mediju koji treba grijati i snage elektromotora koji pokreće njezin kompresor:

1

1

dov DTDT

izvpog el

pol

QTE PT

φε = = =−

(1)

pri čemu su:

145


DTε - faktor grijanja dizalice topline, koji je uvijek veći od 1

dovQ - toplina koja je dovedena nekom prostoru ili mediju [J]

pogE - pogonska energija za ostvarivanje procesa u dizalici topline [J]

DTφ - toplinski učin dizalice topline [W]

elP - nazivna električna snaga dizalice topline [W]

izvT - srednja temperatura toplinskog izvora [K]

polT - temperatura polaznog voda ogrijevnog medija [K]

Faktor hlađenja je osnovni pokazatelj učinkovitosti rada rashladnih uređaja. Jednak je omjeru toplinske energije koju je rashladni uređaj odveo iz nekog prostora i pogonske energije kojom se ostvaruje proces u njemu:

1odv RURU DT

pog el

QE P

φε ε= = = −

(2)

pri čemu su:

RUε - faktor hlađenja rashladnog uređaja

odvQ - toplina koja je odvedena iz nekog prostora ili medija [J]

RUφ - rashladni učin rashladnog uređaja [W]

Radne tvari su naziv za radne medije koji se koriste u lijevokretnim kružnim procesima u rashlad-nim uređajima i dizalicama topline, odnosno kao prijenosnici energije u rashladnim sustavima. S obzirom na kemijski sastav, radne tvari se mogu podijeliti u pet osnovnih skupina:

• halogenirani ugljikovodici

• čisti ugljikovodici

• zeotropske smjese

• azeotropske smjese

• anorganske tvari

Kao što smo već spomenuli, dizalica topline je uređaj koji omogućava prijenos energije iz top-linskog spremnika niže temperaturne razine u sustav više temperaturne razine korištenjem do-datne energije pomoću lijevokretnog kružnog procesa. Pojednostavljeni rad dizalice topline je prikazan na slici.

146


slika – princip rada dizalice topline

Toplinski spremnici pritom mogu biti:

• toplinski izvor – prostor ili medij niže temperaturne razine od kojeg se toplina odvodi, a to je najčešće neposredna okolica: tlo, okolni zrak ili otpadni, istrošeni zrak

• toplinski ponor – prostor ili medij više temperaturne razine kojem se toplina dovodi, a to su najčešće zrak u prostoriji, voda u sustavu grijanja, potrošna topla voda

Toplinski izvori za dizalice topline se, s obzirom na porijeklo i postojanost temperaturne razine, mogu podijeliti u tri osnovne skupine:

• prirodni s uglavnom promjenjivim temperaturama – okolni zrak

• prirodni s razmjerno konstantnim temperaturama – površinske vode, mora i oceani

– podzemne vode

– slojevi tla

– Sunčeva energija

• umjetni – otpadni, istrošeni ili onečišćeni zrak iz prostorija ili industrijskih procesa

– otpadne vode

Kako su ti izvori više ili manje obnovljivi, dizalice topline se ubrajaju u sustave za iskorištavanje obnovljivih izvora energije. Osnovna zamisao primjene dizalica topline se temelji na mogućnosti iskorištavanja dijela besplatne i praktički neograničene topline iz neposredne okolice, tj. top-linskih izvora kao što su tlo, voda i zrak.

Nekoliko je osnovnih mogućnosti njihove primjene u stambenim i poslovnim zgradama:

• kao izvor toplinskog učina u sustavu grijanja i/ili pripreme potrošne tople vode

• kao izvor toplinskog i rashladnog učina u sustavu grijanja, ventilacije i klimatizacije

• kao izvor rashladnog učina u sustavu ventilacije i klimatizacije

Uz to, dizalice topline se mogu koristiti i u proizvodnji:

• kao izvor toplinskog učina u sustavu grijanja pogona, staklenika, za razne procese itd.

• kao izvor toplinskog i rashladnog učina u sustavu zagrijavanja, odnosno hlađenja pro-cesne vode

• kao izvor toplinskog učina u sustavu za proizvodnju vodene pare

• kao izvor toplinskog učina u sustavu za sušenje i odvlaživanje

147


Ipak, dizalice topline se najčešće koriste kao izvori topline u sustavima grijanja i/ili pripreme potrošne tople vode obiteljskih kuća, stam-benih, javnih i raznih drugih zgrada kao što su hoteli, kampovi, vojarne i slično. Za učinkovitu primjenu dizalica topline treba ispuniti neko-liko osnovnih uvjeta:

• raspoloživost toplinskog izvora dovol-jno visoke i konstantne temperature dulje vrijeme

• mala udaljenost toplinskih izvora i ponora

• umjerena temperaturna razina top-linskog ponora

• velik broj sati uporabe tokom godine

• visoke cijene drugih izvora energije

Postoje različite vrste dizalica topline. Najčešće su u upotrebi kompresijske, a još su u uporabi apsorpcijske, adsorpcijske i Vuilleumierove dizalice topline.

Kompresijske dizalice topline za povišenje energetske razine radne tvari, tj. za omogućavanje kružnog procesa koriste mehanički rad kompresora. Sastoje se od četiri osnovna dijela:

• isparivač

• kompresor

• kondenzator

• ekspanzijski ventil

Uz njih su tu i spojni vodovi koji povezuju ta četiri osnovna dijela, regulacijski i pomoćni elementi i radna tvar. Svi se ti dijelovi najčešće nalaze u zajedničkom kućištu i čine jedinstvenu cijelinu, a da bi ona mogla raditi, potrebni su i spojevi na dovod posrednog medija, električnu mrežu, sustav automatske regulacije i slično. Na slici ispod se može vidjeti jednostavni prikaz sastavnih dijelova kompresijske dizalice topline gdje je kompresor pogonjen elektromotorom.

Za prijenos topline između dva toplinska spremnika kao pogonska energija kod apsorpcijskih rashladnih uređaja se koristi toplinska energija. Umjesto mehaničkog kompresora koji se prim-jenjuje u kompresijskim uređajima, ovdje se kao pogonski stroj koristi tzv. termički kompresor pokretan plinom ili vodenom parom. Shematski prikaz rada se može vidjeti na slici dolje.

Kao prijenosnik energije u apsorpcijskim dizalicama topline, uz radnu tvar dolazi još i apsorp-cijsko sredstvo. Oni zajedno čine radnu smjesu apsorpcijskih uređaja. U praksi se najviše ko-riste parovi radnih smjesa voda/litijbromid i amonijak/voda. Kod prvog para smjese primjena je ograničena najnižom dozvoljenom radnom temperaturom koja mora biti viša od 0°C. U primjeni je češći drugi par, i to zbog manjih dimenzija, lakše instalacije i jeftinijeg održavanja. Ipak, prilikom upotrebe treba uzeti u obzir otrovnost amonijaka.

slika –kompresijska dizalica topline

148


Slika – shematski prikaz apsorpcijske dizalice topline

Apsorpcijske dizalice topline se sastoje od sljedećih dijelova:

• isparivač

• toplinski kompresor s odgovarajućim izvorom topline

• kondenzator

• ekspanzijski ventil

• spojni vodovi

• regulacijski i pomoćni elementi

Svi su ti dijelovi također u zajedničkom kućištu i čine jedinstvenu cjelinu, odnosno uređaj. Spo-jevi apsorpcijskih dizalica topline na sustav grijanja i na toplinski izvor se izvode jednako kao kod kompresijskih. Ipak, kod apsorpcijskih dizalica topline koje kao dodatni izvor topline koriste plamenik, potreban je i spoj za dovod goriva. Ako se pri tome kao gorivo koristi prirodni ili uka-pljeni naftni plin, spoj se izvodi u skladu s propisima plinske instalacije.

Adsorpcijske dizalice topline za povišenje energetske razine radne tvari također koriste toplinu dovedenu izvana, npr. izgaranjem goriva u plameniku. Pri tome se također koristi toplinski kom-presor, ali se njegovo djelovanje u tom slučaju osniva na fizikalnom procesu adsorpcije, odnosno stvaranja sloja kapljevite ili plinovite tvari na površini neke druge, čvrste ili kapljevite tvari. Sas-tavni dijelovi adsorpcijske dizalice su također smješteni u zajedničko kućište koje ima sve po-trebne spojeve na sustav posrednog i ogrijevnog medija, te sve ostale priključke. Kao radne tvari se koriste adsorbenti, tj. krute tvari kao što su ugljen, silikagel ili zeolit. Djelovanje adsorpcijskih dizalica topline se osniva na činjenici da je proces vezivanja vode na adsorbent egzoterman, tj. da pri tome nastaje toplina koja se mora odvoditi.

Adsorpcijske dizalice topline sastoje se stoga od dva izmjenjivača topline u kojima naizmjence dolazi do izmjene topline s ogrijevnim medijem, pri čemu se proces odvija u dvije faze. U prvoj fazi se adsorbentu koji se nalazi na prvom izmjenjivaču topline dovodi dodatna toplina izvana. Voda iz adsorbenta se zbog dovođenja topline izdvaja u obliku vodene pare i odlazi dl drugog izmjenjivača na kojem kondenzira, pri čemu se toplina predaje ogrjevnom mediju sustava grijan-ja, što znači da drugi izmjenjivač tada služi kao kondenzator.

149


Prva faza završava kada se iz adsorbenta na pr-vom izmjenjivaču izdvojila sva voda i kada je ona na drugom izmjenjivaču u cijelosti kondenzirala, a tada prestaje dovod dodatne topline preko gri-jača. U drugoj fazi drugom izmjenjivaču topline se dovodi toplina od posrednog medija i na njemu dolazi do isparavanja vode, odnosno on posta-je isparivač. Nastala vodena para odlazi prema prvom izmjenjivaču gdje na sebe veže zeolit, a kako je reakcija egzotermna, nastaje toplina koja se predaje ogrjevnom mediju sustava grijanja.

Druga faza završava kada je adsorbent na prvom izmjenjivaču vezao svu vodenu paru i proces tada može početi od početka.

Vuilleumierove dizalice topline za povišenje energetske razine radne tvari, odnosno omoguća-vanje kružnog proc sa također koriste toplinu dovedenu izvana, no pri tome se koristi tzv. regen-erativni plinski proces koji je patentirao francuski inženjer Rudolpf Vuilleumier. Kao i kod drugih vrsta, i u ovakvim dizalicama topline su sastavni dijelovi u zajedničkom kućištu. Kao radna tvar se koristi inertni plin, u pravilu helij. Vuilleumierova dizalica topline sastoji se od dva serijski spojena toplinska kompresora s tri temperaturne razine. Dva klipa dijele konstantni radni volumen na tri promjenjiva cilindrična pojedinačna volumena, odnosno prostora koji se nazivaju vrućim, toplim i hladnim. Tijekom pomicanja klipa radna tvar struji kroz regenerator u kojem izmjenjuje toplinu s prostorom cilindra kroz koji prolazi.

Proces se odvija u četiri faze. U prvoj gornji klip ostaje u svojem položaju, a donji se pomiče pre-ma dolje i potiskuje radnu tvar kroz donji regenerator u središnji, topli prostor cilindra. U donjem regeneratoru radna tvar izmjenjuje toplinu sa središnjim prostorom cilindra pri čemu joj se po-visuje temperatura, dok se regenerator hladi. Posljedica toga je povišenje tlaka i temperature u središnjem dijelu, a toplina se predaje ogrjevnom mediju sustava grijanja. U drugoj fazi se gornji klip pomiče prema dolje i potiskuje radnu tvar u plinovitom stanju iz središnjeg dijela kroz gornji regenerator u vrući prostor cilindra. U trećoj fazi se donji klip pomiče prema gore i potiskuje radnu tvar kroz donji regenerator ponovno prema dolje. Radna tvar izmjenjuje toplinu s donjim prostorom cilindra, pri čemu joj se snizuje temperatura. U četvrtoj fazi se gornji klip pomiče pre-ma gore, pri čemu se radna tvar u gornjem regeneratoru ponovno hladi, a tlak i temperatura se snižavaju, dok se sustavu dovodi toplina posrednog medija. Tada proces počinje od početka.

Unatoč brojnim prednostima, Vuilleumierove dizalice topline imaju nekoliko osnovnih nedosta-taka, a to su složena konstrukcija, mali stupnjevi djelovanja i drugo. Zbog toga se koristi samo u ispitnim i pilot postrojenjima.

Obzirom na toplinski izvor, dizalice topline se dijele u tri osnovne skupine, a to su dizalice topline tlo – voda (rasolina – voda) koje kao toplinski izvor koriste slojeve tla, dizalice topline voda – voda koje koriste podzemne, površinske ili otpadne vode, te dizalice topline zrak – voda i zrak – zrak koje koriste okolni, istrošeni, otpadni ili onečišćeni zrak. Najveći udio ugrađenih dizalica topline su one sa zrakom kao toplinskim izvorom, dok najmanji udio kao toplinski izvor ima voda, što je rezultat toga što voda često nije dostupna kao izvor topline. (slika)

Kada se govori o tlu kao toplinskom izvoru za dizalice topline, misli se na toplinsku energiju površinskih i podzemnih slojeva zemlje. Ta energija najvećim dijelom potječe od Sunčeve en-ergije dobivene zračenjem ili padalinama, a manjim dijelom od geotermalne energije same Zem-lje. Osnovna značajka tla je pohrana toplinske energije cijele godine, dok izmjena topline ovisi o koeficijentu toplinske vodljivosti, gustoći, sastavu te specifičnom odvajanju topline. Geološkim i termodinamičkim ispitivanjima pokazano je da se temperatura do oko 10 m dubine tla mijenja tijekom godine dok je na većim dubinama razmjerno stalna. (slika)

slika – udjeli pojedinih dizalica topline ovisno o toplinskom

izvoru

150


Slika – promjena temperature s obzirom na dubinu u različitim godišnjim dobima

Za iskorištavanje topline tla koriste se dizalice topline tlo – voda (rasolina). Za izmjenu topline koriste se izmjenjivači topline koji se ukopavaju u tlo, a oni mogu biti podzemni toplinski kolektori ili podzemne toplinske sonde.

Za posredni medij koriste se rasoline ili glikolne smjese koje imaju nisko ledište pa onemoguća-vaju smrzavanje u cijevima i smanjivanje padova tlaka pri prolasku kroz cijevi. Posredni medij preuzima toplinu tla i predaje je radnoj tvari na isparivaču dizalice topline.

Ukratko ćemo opisati svaku vrstu toplinskih kolektora.

Podzemni toplinski kolektori služe za izmjenu topline posrednog medija i površinskih slojeva tla, do dubine od 2 metra, kod primjene dizalica topline tlo – voda. Osnovne izvedbe takvih izm-jenjivača topline su vodoravna kolektorska polja (koja mogu imati serijski ili paralelno povezane cijevi), kanalni (kompaktni ili kolektori u jarku), te spiralni kolektori.

Na slici dolje se može vidjeti izgled vodoravnog kolektorskog polja. Kao materijal za izradu cijevi kolektora najčešće se koristi polietilen zbog toga što ima dobra toplinska i fizikalna svojstva. Prosječno specifično odavanje topline na dubini od 1,5 – 2 m iznosi 15 – 40 W/m2.

Vodoravna kolektorska polja su najčešće izvedbe podzemnih toplinskih kolektora (za izvedbu tlo - voda), a otprilike se može uzeti da je potrebna barem dvostruko veća površina zemljišta za polaganje kolektorskog polja, od površine prostora koji se treba grijati, pa se takva rješenja ko-riste kada su veće površine zemlje na raspolaganju.

Osim toga duljina pojedine petlje ne bi smjela biti dulja od 100 metara kako bi se izbjegli veliki padovi tlaka.

151


slika– vodoravno kolektorsko polje

Pri izvođenju podzemnih toplinskih kolektora treba uzeti u obzir površinu zemljišta, dubinu po-laganja (najčešće 1,2 – 1,5 m dubine), izvedbu kolektora, međusoban razmak cijevi, duljine i promjer cijevi, način punjenja sustava posrednim medijem.

Podzemne toplinske sonde služe za izmjenu topline posrednog medija i dubokih slojeva tla kod primjene dizalica topline tlo – voda. To su okomiti izmjenjivači topline koji se koriste kada na raspolaganju nisu veće slobodne površine zemljišta. Dubina, promjer i broj bušotina u koje se ugrađuju cijevi izmjenjivača ovisit će o potrebama zgrade za grijanje ili hlađenje. Dvije izvedbe takvih sondi su dvostruka U-cijev od polietilena i koaksijalna cijev (gdje je unutarnja cijev od po-lietilena i u nju ulazi ohlađeni medij iz dizalice topline, dok je vanjska cijev od nehrđajućeg čelika i kroz nju se vraća zagrijani medij).

Za podzemne sonde koristi se posredni medij glikolna smjesa u omjeru 30% glikola i 70% vode. Specifično odavanje tla kod sondi iznosi 25 – 100 W/m duljine (dubine) sonde, a značajno ovisi o sastavu i kvaliteti tla, jer na toplinsku vodljivost jako utječu vlaga i poroznost. Točna vrijednost specifičnog dubinskog odavanja topline tla može se utvrditi jedino pri samome izvođenju bušo-tine, kada se ovisno o sastavu pojedinog sloja tla, određuje njegovo specifično odavanje topline. Duljine (dubine) sondi kreću se u prosjeku od 40 – 100m, a udaljenost između bušotina mora biti najmanje 5 metara. Nakon izvođenja bušotine i postavljene sonde, međuprostor se najčešće popunjava betonitom ili kvarcnim pijeskom.

Kada se govori o vodi kao toplinskom izvoru za dizalice topline, misli se na toplinsku energiju površinskih, podzemnih ili otpadnih voda. Glavna karakteristika vode je relativno stalna tempera-tura tijekom cijele godine. Za iskorištavanje toplinske energije vode koriste se dizalice topline voda – voda. Takav sustav može biti izveden kao izravni, kada se podzemna voda (uz filtriranje) izravno dovodi do isparivača, ili neizravni, kada se ugrađuje dodatni izmjenjivač topline. S obzi-rom na pogonsko održavanje i sigurnost prednost ima neizravna izvedba.

Voda se tada iz jedne bušotine, vodene površine ili vodotoka crpi, a kroz drugu bušotinu vraća u podzemne slojeve. Osim toga, sustav može biti izveden kao kod dizalica topline tlo – voda, pri čemu se na dno vodene površine postavlja podvodni toplinski kolektor. I u jednom i u drugom slučaju potrebna je cirkulacijska crpka kao i kod izvedbe tlo – voda.

Zbog relativno visoke i konstantne temperature razine vode kao toplinskog izvora, faktor grijanja dizalica topline voda – voda je velik. Dizalice topline koje koriste podzemne vode obično imaju veće toplinske učine (8 – 40kW) i veći faktor grijanja.

152


slika – sustav voda – voda

Važno je napomenuti da za izvođenje bušotina za iskorištavanje topline podzemnih voda tre-ba ishoditi niz dozvola, a u nekim zemljama je njihova primjena čak i zabranjena zbog zaštite podzemnih voda.

Kada se govori o zraku kao toplinskom izvoru za dizalice topline, misli se na toplinsku energiju okolnog, otpadnog, istrošenog ili onečišćenog zraka iz sustava ventilacije i klimatizacije ili raznih drugih procesa. Glavna osobina zraka je nepodudarnost vremena kada su vanjske temperature najviše i kada su potrebe za grijanje najveće. Za iskorištavanje toplinske energije zraka koriste se dizalice topline zrak – zrak ili voda – zrak. Valja napomenuti kako se kao dizalice topline zrak – zrak često koriste klima-uređaji kod kojih je omogućeno pokretanje rashladnog procesa. Dizalice topline zrak – voda i zrak – zrak pojavljuju se u tri osnovne izvedbe, za postavljanje na otvorenome, za postavljanje u zatvorenome prostoru, te u odvojenoj izvedbi (split sustav). Iako je zrak kao toplinski izvor svugdje dostupan i neiscrpan treba uzeti u obzir da faktor dizalica topline izrazito opada snižavanjem vanjske temperature. Uzima se da dizalice topline zrak – voda i zrak – zrak mogu raditi do -7°C vanjske temperature. Kada su vani niske temperature može doći do zaleđivanja kondenzirane vlage na plohama isparivača. Odleđivanje se može izvršiti prekretan-jem rashladnog procesa ili električnim grijačima koji troše dodatnu količinu energije.

slika - vanjski zrak kao toplinski izvor

153


Optimalan protok zraka kod dizalica topline sa zrakom kao toplinskim izvorom iznosi 300 – 500 m3/(h kW) rashladnog učina kompresora. Osim vanjskog zraka, kao toplinski izvor često se koriste otpadni, istrošeni zrak iz prostorija ili raznih procesa čija temperatura ovisi o uvjetima u zgradi ili procesu. Takvim načinom mogu se ostvariti značajne uštede.

Jeste li znali?

Veliki broj zemalja promovira dizalice topline kao učinkoviti način grijanja koji istovremeno pomaže integraciji obnovljivih izvora energije. Kako? Za obnovljive izvore energije kao što su vjetroelektrane i fotonaponski paneli kažemo da su teško predvidivi – to znači da proizvode električnu energiju samo kad puše vjetar ili je vedar dan.

Glavni princip kako elektroenergetski sustav funkcionira je da je sva proizvedena električna energija jednaka svoj potrošenoj. Pojednostavljeno to znači da mi ne želimo električnu energiju trošiti samo onda puše vjetar ili je vedro (zamislite da navečer stojite u mraku sobe samo zato jer trenutno nema vjetra). Dizalice topline bi mogle optimalno koristiti električnu energiju iz ob-novljivih izvora prilagođavajući se proizvodnji iz tih promjenjivih izvora energije ( jednom kad dizalice ugriju ili ohlade prostoriju, prostorija će još neko vrijeme držati željenu temperaturu, zar ne?).

KOGENERACIJSKA POSTROJENJA

Kogeneracija je postrojenje u kojem se iz jednog energenta istovremeno proizvodi električna i toplinska energija. Prednost kogeneracije u odnosu na konvencionalne elektrane ili postrojen-ja u kojima se proizvodi samo električna energija ili samo toplinska energija je u učinkovitosti samog postrojenja, koja se odnosi na smanjenje potrošnje primarnog goriva, gubitaka u mreži i emisije stakleničkih plinova; veća učinkovitost kombinirane proizvodnje električne i toplinske energije prikazana je iz slikom ispod.

Velika prednost kogeneracije je njezina velika mogućnost primjene i kombinacije s već posto-jećim tehnologijama primijenjenim u različitim sustavima u industriji, poljoprivredi te poslovnom i stambenom sektoru.

Prilikom izgradnje kogeneracijskog postrojenja, ključni kriterij pri dimenzioniranju trebaju biti top-linski zahtjevi procesa za koji se koristi toplina. Predimenzionirani sustavi načelno su skuplji te imaju lošiju iskoristivost. Kao gorivo se uglavnom koristi prirodni plin zbog niskih emisija te široke dostupnosti. Da bi se omogućila proizvodnja električne energije, potrebno je proizvoditi toplin-sku energiju na višoj temperaturi i tlaku nego što to zahtijevaju tehnički procesi za koje se ona koristi.

Proizvodnja i potrošnja topline i električne energije događaju se istodobno. Kao kriterij iskoris-tivosti potreba istovremene proizvodnje topline i električne energije treba iznositi barem 4500 sati na godinu. U slučaju visokih cijena električne energije moguć je isplativ rad i sa samo 2200 sati na godinu, no najveću ekonomičnost kogeneracijski sustavi pokazuju u slučaju stalnog rada cijele godine (8760 sati na godinu).

ZADATAK

Potražite na stranicama HEP-a: http://proizvodnja.hep.hr/proizvodnja/osnovni/termoelektrane/default.aspx

Podatke o termoelektranama toplanama (TE-TO Zagreb, TE-TO Osijek, EL-TO Zagreb) i pokuša-jte iz podataka koji su prikazani za te elektrane (instalirana snaga i proizvedena energija za svaku godinu) izračunati koliko sati godišnje rade te elektrane!

154


Toplinska stanica

Gorivo

Gorivo

100

Ukupna efikasnost [%]

58.0200

8036 =+=η

Razdvojena proizvodnja el. i toplinske energije

Kogeneracijski sustav

Elektrana100

Toplina

80%

El. energija

36%

Ukupna efikasnost [%]

85.0100

5530 =+=η

Kongeneracijskisustav

El. energija

30%Toplina

55%

100

Gorivo

Kogeneracijska postrojenja su se dugo razvijala u energetski intenzivnoj industriji u kojoj postoje ujednačene potrebe za toplinskom i električnom energijom. Najčešći kogeneracijski procesi za ovakve primjene su tradicionalno parno-turbinski ciklus koji omogućuje korištenje otpadne pare za procesnu toplinu. Intenzivan razvoj u posljednja dva desetljeća omogućio je razvitak velikog broja dostupne opreme, stoga je danas primjena različitih kogeneracijskih postrojenja pogodna za različite sustave. Osnovne cjeline svakog kogeneracijskog sustava čine:

• uređaj za dobavu i pripremu goriva

• postrojenje za proizvodnju električne energije

• sustav za korištenje otpadnom toplinom

• sustav ispušnih (dimnih) plinova

• upravljački i kontrolni sustav.

Kogeneracijski sustavi se mogu koncipirati prema različitim pogonskim agregatima, a s obzirom na vrstu agregata razlikuju se ovi osnovni tipovi kogeneracijskih procesa:

• kogeneracija na bazi parnih turbina

• kogeneracija na bazi plinskih turbina

• kogeneracija na bazi motora s unutarnjim izgaranjem

• kogeneracija na bazi kombiniranog ciklusa

• kogeneracija na bazi gorivih ćelija.

Ostale tehnologije, poput stapnih parnih i ostalih motora, rijetko su korištene ili su još uvijek u demonstracijskom, a ne komercijalnom pogonu. Motori s unutarnjim izgaranjem ili plinske turbine

155


male snage najčešće se koriste za električne potrebe do nekoliko MW, s tim da se, ako potražnja prelazi 3 MWe, češće koriste plinske turbine. S druge strane, u projektima industrijskih kogener-acija velikih snaga, obično se koristi kombinirani ciklus i katkad parne turbine. U tablici su prika-zane osnovne značajke pojedinih tipova kogeneracijskih procesa i njihovo korištenje, ovisno o kakvoći toplinske energije i kapacitetu postrojenja. Motori s unutarnjim izgaranjem najčešće se koriste kada se zahtijeva toplinska energija u obliku tople ili vrele vode. U industrijskim aplikacija-ma se obično zahtijeva toplinska energija u obliku pare te se, sukladno tomu, više koriste plinske turbine ili kombinirani ciklus. U plinskih turbina i motora s unutarnjim izgaranjem izravno se mogu koristiti ispušni plinovi dobiveni u procesu, pa se takvi sustavi često koriste u procesima sušenja ili sličnim procesima.

Razmatrajući primjenu kogeneracijskih procesa u GVK postrojenjima (grijanje, ventilacija, klima-tizacija), može se ustanoviti da se u pravilu kao pogonski agregat koriste motori s unutarnjim izgaranjem, a u budućnosti se može očekivati česta primjena gorivih ćelija.

Vrsta agre-gata

GorivoKapacitet [MW

e]

Učinkovitost Te m p e r a -turna razi-na

Najčešća prim-jena

Električna Ukupna

Parna turbi-na Bilo koje 500 kWe –

500 MWe

7-20% 60-80% 120-400oC

Korištenje bio-mase (područje grijanje i indus-trija)

Plinska tur-bina

Plinovito i tekuće

250 kWe – 50 MWe

25-42% 65-87% 120-500oC Industrija, pod-ručno grijanje

Kombinira-ni ciklus

Plinovito i tekuće

3 MWe – 300 MWe

35-55% 73-90% 120-400oCIndustrija (pro-cesna), područ-no grijanje

Plinski i Diesel mo-tor

Plinovito i tekuće

3 kWe – 20 MWe

25-45% 65-92% 80-120oC

GVK sustavi, prehrambena i tekstilna industri-ja, staklenici

Goriva ćeli-ja

Plinovito i tekuće

3 kWe – 3 MWe

37-50% 85-90% 80-100oC GVK sustavi

Stirling mo-tor Bilo koje 3 kWe – 1,5

MWe

40% 65-85% 80-120oC GVK sustavi

Kogeneracijsko postrojenje sastoji se od tri osnovna dijela: glavni pokretač, električni generator i komponente za prikupljanje otpadne topline. Glavni pokretač u kogeneracijskom sustavu je parna (podsjetite se kako funkcionira parna turbina u poglavlju o biomasi i bioplinu) ili plinska turbina (pogledajte sliku ispod za pojašnjenje rada kogeneracijskog postrojenja s plinom kao pogonskim gorivom). Uloga turbine je pretvaranje energije dobivene izgaranjem goriva u me-haničku energiju. Ona se potom uglavnom koristi za pokretanje generatora, ali se može koris-titi i za pokretanje ostalih rotirajućih strojeva. Drugi pokretač mogu biti gorive ćelije. Iako nisu u mogućnosti predavati energiju na osovinu, njihova prednost je u tome što mogu proizvoditi električnu energiju u procesu bez izgaranja za razliku od klasičnih goriva (više o gorivim ćelijama pogledati u posebnom poglavlju). Sustav za prikupljanje otpadne topline prikuplja neiskorištenu toplinu iz glavnih pokretača da bi se mogla korisno iskoristiti. Jednostavni, tzv. ‘’negorivi’’ sustavi funkcioniraju kao izmjenjivači topline između dva sustava. Oni nemaju sposobnost samostalne proizvodnje toplinske energije. Složeniji sustavi mogu sagorijevati gorivo te tako proizvedenom toplinom koju dodaju prikupljenoj povećavaju iskoristivost procesa.

156


Slika. Plinska turbina u kogeneracijskom ciklusu

Dodatna važna prednost kogeneracijskog postrojenja su niže emisije štetnih plinova u atmosfe-ru. U tablici ispod navedeni su neki tipični iznosi emisija štetnih plinova ovisno o tipu pogonskog stroja.

Tip Gorivo Prosječna el. efikas

Specifična emisija [gr/kWhe]

CO2 CO NOx HC SOx

D i e s e l motor Diesel 35% 593 3,81 11,30 3,95 0,09

P l i n s k i motor

P r i r o d n i plin 35% 577 2,80 1,9 1 0,09

P l i n s k a turbina

P r i r o d n i plin 35% 577 0,3 0,5 0,05 0

Parna tur-bina

Ugljen 1406 0,26 4,53 0,07 7,75

Mazut 25% 1100 0 1,94 0,07 5,18

P r i r o d n i plin 808 0 1,29 0,26 0,46

G o r i v e Ćelije

P r i r o d n i plin 40% 505 0,03 0,03 0,05 0

Zadatak

Pokušajte izračunati (koristeći podatke sa slike o učinkovitostima iznad) koliko su manje emisije štetnih plinova (CO2, CO, NOx, HC i SOx) ukoliko:

- proizvedemo 3000 kWh električne energije u elektrani na ugljen i 5500 kWh toplinske energije u plinskoj toplinskoj stanici;

- proizvedemo 3000 kWh električne energije i 5500 kWh toplinske energije u kogener-acijskom postrojenju na plin;

- proizvedemo 3000 kWh električne energije i 5500 kWh toplinske energije u kogeneraci-jskom postrojenju gorivih ćelija.

157


IX. GEOTERMALNA ENERGIJA

Geotermalna energija Zemlje je zapravo unutarnja kalorička energija koja je nastala kao posljed-ica gravitacijske energija i zaostale topline od formiranja Zemlje te energije oslobođene uslijed radioaktivnih raspada. Procijenjena temperatura unutrašnje Zemljina jezgre je oko 4000 °C - 7000 °C, na dubini od 6370 km, koja postupno opada do samo nekoliko stupnjeva na površini Zemlje (uz značajan doprinos Sunčeve energije koja zagrijava površinu Zemlje). Zemljina kora debljine oko 30 km pliva na omotaču oko vanjske i unutrašnje jezgre slika.

Slika. Slojevi Zemljine unutrašnjosti

U vanjskom sloju Zemlje, odnosno kori, temperatura raste otprilike 17 °C do 30 °C po kilomet-ru dubine. Ispod kore nalazi se omotač koji je sastavljen od djelomično rastopljenih stijena i temperatura tog omotača je između 650 i 1250 °C. Kako je već rečeno u samoj jezgri Zemlje temperature se kreću između 4000 i 7000 °C. Karakteristika topline je da uvijek prelazi s toplijih dijelova na hladnije. Tako se toplina iz unutrašnjosti Zemlje prenosi prema površini i taj prijenos topline glavni je pokretač tektonskih ploča.

Na spojevima tektonskih ploča može doći do propuštanja magme u gornje slojeve koja se potom ohladi i stvara novi sloj zemljine kore. U slučajevima kad se magma probije do same Zemljine površine nastaje vulkan s ogromnim bazenima lave ispod površine. Područja ispod kojih se nala-ze ovakvi bazeni magme imaju visok temperaturni gradijent, tj. temperatura raste vrlo brzo pov-ećanjem dubine i takva područja izuzetno su pogodna za iskorištavanje geotermalne energije.

Ponašanje unutar jezgri je relevantno za magnetske polove Zemlje, a dinamika omotača utječe na vulkanske erupcije i velike potrese. Budući da trenutno ne postoji tehnološka mogućnost pristupa većim dubinama za korištenje geotermalne energije od važnosti je samo Zemljina kora i to posebice na dodirnim mjestima tektonskih ploča Zemlje.

Granice tektonskih ploča predstavljaju mjesta velikog rizika od aktivnih vulkana, potresa ali i značajan potencijal za korištenje geotermalne energije (slika).

158


Slika. Tektonske ploče, aktivni vuklan i geotermalni izvori (UiB, Institut for geovitenskap)

POVIJEST KORIŠTENJA GEOTERMALNE ENERGIJE

Ljudi koriste geotermalnu energiju Zemlje već tisućljećima. Dakako, prvi načini korištenja bili su direktni i nisu uključivalji sofisticirane metode pretvorbe geotermalne energije. Takvi primitivni načini korištenja uključivali su posjećivanje vrućih izvora za potrebe grijanja, kupanja i pranja, te za medicinske svrhe. Rimljani su uvidjeli značajan potencijal geotermalnih izvora pa su počeli s izgradnjom prvih toplica početkom nove ere. Takav način korištenja geotermalne energije razvi-jao se i očuvao sve dod anašnjih dana.

Iako se geotermalna energija direktno koristi još od antičkih vremena na prvu upotrebu geoter-malne energije u industriji trebalo je pričekati do 18. stoljeća. Naime krajem 18. stoljeća u Italiji (Pisa) se na Larderello polju pomoću pare iz geotermalnih izvora izdvajala borna kiselina. Stol-jeće kasnije, točnije 1904. godine, Prince Piero Ginori Conti upotrijebio je paru na Larderellu za pogon male turbine za potrebe rasvjete, što se smatra prvom upotrebom geotermalne energije u proizvodnji električne energije. Iskorištavanje geotermalnog potencijala Larderello polja nas-tavljeno je u narednim godinama pa tako se danas tamo nalazi postrojenje ukupne snage oko 770 MW i sastoji se od 34 proizvodne jedinice.

JESTE LI ZNALI?

Geotermalna elektrana Landerello proizvodi oko 5 TWh električne energije godišnje što je oko 5 - 10% ukupne svjetske proizvodnje električne energije iz geotermalne energije. Dodatno, taj iznos dovoljan je za pokrivanje više od četvrtine ukupne godišnje potrošnje električne energije Hrvatske.

Potaknute uspječnom primjenom geotermalne energije za proizvodnju električne energije u Ital-iji nekoliko drugih zemalja također započinje s istraživanjima i korištenjem geotermalne energije. Tako je 1919. godine u Japanu je izbušen prvi geotermalni izvor, a 1921. godine John D. Grant je sagradio prvu geotermalnu elektranu u. Godine 1958. sagrađena je prva geotermalna elektrana na Novom Zelandu, a 1959. godine u Meksiku. U narednim godinama pridružile su se i mnoge druge zemlje. Još jedan korak naprijed napravljen je 1967. godine u S.S.S.R.-u kada je prvi puta izgrađenja elektrana koja koristi binarni proces. Ovakva izvedba geotermalne elektrane je omo-

159


gućila dobivanje električne energije iz izvora s puno nižim temperaturama. Tako je za primjer 2006. godine započela sa radom geotermalna elektrana Chena Hot Springs na Aljasci koja ko-risti energiju geotermalnog izvora temperature samo 57 °C.

U kontekstu geotermalne energije također je vrlo bitno spomenuti izum toplinske pumpe i njez-ine primjene. Toplinsku pumpu je izumio 1852. godine William Thomson, a 1912. godinu Heinrich Zoelly patentirao je način korištenja toplinske pumpe za pridobivanje topline iz tla. Nešto kasnije, 1946. godine Donald Kroeker dizajnirao je i demonstrirao rad prve komercijalne geotermalne toplinske pumpe.

TRENUTNO STANJE

Zbog tehnoloških ograničenja i specifičnosti u pogledu dostupnosti geotermalnih izvora, pret-vorba njihove energije u električnu energiju spada u manje zastupljene obnovljive izvore energi-je. Tako je u 2015. godini u svijetu proizvedeno oko 75 TWh električne energije iz geotermalnih elektrana što iznosi oko 1,3 % ukupnog kapaciteta za proizvodnju električne energije iz obnovl-jivih izvora. Ukupni instalirani kapacitet u svim geotermalnim elektranama na svijetu iznosi oko 13,09 GW. Više od četvrtine tog iznosa instalirano je u SAD. Popis zemalja sa najvećim instali-ranim kapacitetom u geotermalnim elektranama nalazi se u tablici


SAD 3,57

Filipini 1,93

Indonezija 1,40

Meksiko 1,07

Novi Zeland 0,98

Italija 0,82

Island 0,67

Turska 0,62

Kenija 0,61

Japan 0,53

Svijet 13,09

Slijedi popis trenutno najvećih 10 geotermalnih elektrana:

1. The Geysers Geothermal Complex, SAD: 1517 MW, Kalifornija.

2. Larderello Geothermal Complex, Italija: 769 MW, Toskana.

3. Cerro Prieto Geothermal Power Station, Meksiko: 720 MW, Baja California.

4. Makban Geothermal Complex, Filipini: 458 MW, Batangas.

5. CalEnergy Generation’s Salton Sea, SAD: 340 MW, Kalifornija.

6. Hellisheidi Geothermal Power Plant, Island: 303 MW, Reykjavik.

7. Tiwi Geothermal Complex, Filipini: 289 MW, Manila.

8. Darajat Power Station, Indonezija: 259 MW, West Java.

9. Malitbog Geothermal Power Station, Filipini: 232 MW, Leyte Island.

10. Wayang Windu Geothermal Power Plant, Indonezija: 227 MW, West Java.

160


Iz navedenog popisa ponovno se može uočiti povezanost dostupnih potencijala geotermalne energije i mjesta izrazite seizmološke i vulkanske aktivnosti.

Iako postoji određeni potencijal za iskorištavanje geotermalne energije, u Hrvatskoj trenutno nema niti jedne geoteremalne elektrane u pogonu. Jedini načini iskorištavanja geotermalne en-rgije u Hrvatskoj trenutno su termalne toplice i korištenje geotermalne topline u poljoprivredi.

GEOTERMALNA ENERGIJA KAO OBNOVLJIVI IZVOR ENERGIJE

Svrstavanje geotermalne energije u obnovljive izvore opravdano je u širem smislu. Za razliku od većine ostalih obnovljivih izvora energije geotermalna energija ne temelji se na energiji Sunca nego energiji unutrašnjosti Zemlje koja nije obnovljiva. Ipak, dostupna količina energije unutrašn-josti Zemlje (kao i energije Sunca) je tolika da za praktične primjene njeno eventualno iscrpljivan-je nije očekivano. Također se radioaktivnim raspadom elemenata u stijenama kontinuirano ob-navlja dio unutrašnje topline Zemlje, što dodatno opravdava svrstavanje geotermalne energije u obnovljive izvore energije. Osnovni medij koji prenosi toplinu iz unutrašnjosti na površinu je voda ili para. I ta komponenta geotermalne energije također se obnavlja i to tako da se oborins-ka voda od kišaprobija duboko po raspuklinama gdje se onda zagrijava i cirkulira natrag prema površini u obliku gejzira i vrućih izvora.

Povezanost geotermalne energije s krutim, tekućim i plinovitim štetnim tvarima zahtjeva zatvore-ni pristup korištenju kako bi se osigurao relativno mali štetni utjecaj na okoliš. Procesi pretvorbe geotermalne energije ne emitiraju stakleničke plinove.

POTENCIJAL GEOTERMALNE ENERGIJE

Izvori geotermalne energije nalaze se u širokom rasponu dubina ispod Zemljine površine, od plitkih površinskih do više kilometara dubokih rezervoara vruće vode i pare koja se može dovesti na površinu i iskoristiti. Geotermalna energija u prirodi se najčešće manifestira u obliku vulkana, izvora vruće vode i gejzira.

Za grubu procjenu geotermalnog potencijala nekog uglavnom se koristi temperaturni gradijent (brzina promjene temperature) ispod površine zemlje. Kako je već rečeno prosječni porast tem-perature u sloju Zemljine kore iznosi do 30 °C po kilometru dubine. Područja kod kojih porast temperature iznosi oko 100 °C po kilometru dubine smatraju se posebno dobrim potencijalom za korištenje geotermalne energije. Međutim, kod određenih dobrih izvora gdje se geotermalna energija i koristi porast temperature može biti i viši. Temperaturni gradijent može poslužiti kao orijentacijski parametar budući da stvarno kretanje temperature ovisno o prirodi geotermalnog izvora i sastavu tla.

Potencijal za korištenje geotermalne energije ovisi o dubini na koju treba bušiti, sastavu tla i prisutnosti vode kao i njezinom stanju. Kapacitetom unutrašnje kaloričke energije prednjače na-jteže iskoristive suhe vruće stijene. Dostupne temperature se kreću između 150 i 300 °C na dubi-nama od 2,5 do 6 km. ali veliki problem korištenju ove topline predstavlja preuzimanje toplinske energije jer je za preuzimanje te topline potrebno dovesti medij (npr. vodu) i ostvariti kontakt sa vrućim stijenama.

Nešto manji geotermalni potencijal u odnosu na vruće stijene predstavljaju geotermalni izvori na velikim dubinama s vodom pod velikim tlakom. Naime na nakim mjestima na dubinama od 2,5 do 9 km dostupne su visoke temperature uz vrlo visoki tlak, preko 100 MPa. Pored problema s velikim tlakom dodatna mana je često i velika slanost (4-10 %). Za iskorištavanje ovog potencijala još uvijek nedostaju dovoljno razvijena komercijalna tehnološka rješenja.

Trenutno se koriste samo izvori do dubina od 5 km s parom ili vodom na manjim tlakovima (do 0,8 MPa). Temperature su u rasponu od 90 °C pa sve do preko 300 °C. Najpoželjniji su isključivo parni izvori (npr. Geysers, SAD i Larderello, Italija) gdje para izlazi na temperaturi od oko 200 °C, ali ovakvi izvori su relativno rijetki. Brojniji su izvori vode gdje voda izlazi sama ili se mora pump-ati. Korištenje izvora vode i pare na nižim tlakovima ne zahtjeva posebnu tehnologiju za bušenje.

161


Osnovni nedostatak geotermalne energije je mali broj lokacija na svijetu koja su pogodna za eksploataciju. Najpogodnija su područja na rubovima tektonskih ploča, tj. područja velike vulkan-ske i tektonske aktivnosti slika.

JESTE LI ZNALI?

Prema nekim procjenama potencijal geotermalne energije iznosi čak 50000 puta više od uk-upne energije pohranjene u obliku nafte i plina širom svijeta.

Dostupne resurse geotermalne energije moguće je procijeniti korištenjem podataka dobivenih bušenjem, satelitskim snimanjem i modeliranjem. Pri tome su vrlo bitni podaci o temperaturama, količini vode/pare te o sastavu tla na nekom području. Geotermalni resursi se dijele prema tem-peraturi na nisko temperaturne (ispod 90 °C), visoko temperaturne (više od 150 °C), te srednje temperaturne. Temperature određuju mogućnosti korištenja kao i načine primjene. Samo visoko temperaturni izvori se smatraju ekonomičnim i praktičnim za proizvodnju električne energije.

Procjena resursa se uobičajeno određuje odvojeno za proizvodnju električne energije te za direktno korištenje toplinske energije. Dodatno se uzima u obzir sadašnje stanje tehnologije i predvidivo moguće buduće unapređivanje.

Čak pola teritorija Republike Hrvatske nema praktično upotrebljiv geotermalni potencijal, dok druga polvicaa predstavlja određeni geotermalni potencijal. Naime južni dio zemlje ima ispodprosječni temperaturni gradijent (manje od 20 °C/km) ali je na sjeveru temperaturni gradijent iznad prosjeka (oko 50 °C/km uz dodatne varijacijama na posebnim lokacijama) slika.

Prema geološkim karakteristikama geotermalni izvori Hrvatske tako se mogu podijeliti na:

• Jadransko područje i područje Dinarida - male vrijednosti geotermalnog gradijenta i top-linskog toka,

• Područje Središnje Hrvatske – vrlo širok raspon upotrbljivosti geotermalnih izvora i

• Panonsko područje - velike vrijednosti geotermalnog gradijenta i toplinskog toka.

Prema podacima iz stvarnih bušotina (oko 50 napravila INA d.d.) na dubinama od nekoliko km poznato je da potencijalni geotermalni izvori u Hrvatskoj imaju temperature vode od 40 do 170 °C. Prema tim podacima se procjenjuje da je ukupni potencijal za proizvodnju električne energije oko 50 MWe (MW električne energije), dok se potencijal za direktno korištenje toplinske energije procjenjuje na preko 800 MWt (MW toplinske energije). INA-Naftaplin je 70-ih godina prošlog stoljeća započela s istraživanjem rezervi nafte i plina na poljima u kontinentalnom dijelu Hr-vatske. Tijekom navedenih istraživanja u bušotinama je otkriveno postojanje izvora tople vode. Najviše istražena ležišta, a ujedno i ležišta s najvišom temperaturom geotermalne tekućine su

162


ležište u blizini Koprivnice (Kutnjak-Lunjkovec) i Bjelovara (velika Ciglena).

DIREKTNO KORIŠTENJE GEOTERMALNE ENERGIJE

Direktno korištenje toplinske energije za razne primjene u turizmu, poljoprivredi, industriji i komu-nalnom grijanju predstavlja najjednostavniji i najperspektivniji način iskorištavanja geotermalne energije. Grijanje geotermalnom energijom može biti samostalno ili kombinirano s drugim (kon-vencionalnim) načinima proizvodnje toplinske energije ili kombinirano s proizvodnjom električne energije iz istog geotermalnog izvora.

Trenutni svjetski kapaciteti za direktno korištenje geotermalne energije za grijanje procjenjuju se na oko 75 TWh godišnje. Najveći sustav geotermalnog grijanja smješten je na Islandu, u njegovom glavnom gradu Reykjavik-u slika. Tamo naime gotovo sve zgrade koriste geotermalnu energiju, te se čak 89 % islandskih kućanstava grije pomoću geotermalne energije.

Geotermalna energija nalazi primjenu i u poljoprivredi gdje se koristi za povećanje prinosa. Uo-bičajeni način korištenja geotermalne energije u poljoprivredi je grijanje staklenika za proizvod-nji cvijeća i povrća pomoću vode iz geotermalnih bazena. Grijanje staklenika podrazumijeva grijanje zraka unutar njega, ali i tla na kojem rastu biljke.

Još jedan od uobičajenih načina korištenja geotermalne energije su toplinske pumpe. Toplinske pumpe trebaju električnu energi-ju za cirkulaciju geotermalne tekućine koja se koristi za grijanje, hlađenje, kuhanje i pripremu tople vode. Na ovaj način znatno se smanjuje potreba za električnom energi-jom u kućanstvima. U razvijenim zemljanma mogućnost pumpanja topline iz okoline ko-rištenjem lijevokretnog kružnog termodin-amičkog procesa često se primjenjuje za gri-janje (i hlađenje). Dok se vanjska prosječna mjesečna temperatura zraka (za primjer kon-tinentalnog dijela Hrvatske) kreće u rasponu

163


od -5 do +25 °C temperatura tla ostaje približno konstantna (ovisno o podneblju od 6 do 8 °C) tijekom cijele godine i to već na dubini od 8 do 10 m. Razlika prema zraku je iskoristiva i na dubini od 2 m gdje je godišnji raspon od 3 do 10 °C za suho tlo i par stupnjeva šire za vlažno tlo. Upravo ta konstantnost temperture tla u usporedbi s potebama unutrašnje temperature u kući ili zgradi predstavlja potencijal za isplativo i racionalno zagrijavanje (hlađenje) s koeficijentom djelovanja od 3 do 6 (omjer dobivene toplinske energije i uložene električne energije). Korištenje toplinskih pumpi u razvijenom svijetu je vrlo rašireno pa se često koriste i tzv. geotermalne toplane slika.

Geotermalna energija ima dakle vrlo širok spektar upotrebe, a neke od ostalih mogućih upotre-ba su uzgajanje riba, razne vrste industrijske upotrebe, balneologija - upotreba za rekreaciju i lječilišta (toplice) i sl.

Najveći udio direktne primjene geotermalne energije otpada na grijanje, a potom slijede kupališ-ta, staklenici, ribogojstvo te industrija. Svaka zemlja ima svoje specifičnosti u pogledu korištenja geotermalne energije koje ne ovise samo o geotermalnom potencijalu već i o brojnim drugim faktorima. Island je poseban primjer stoga što za ukupne potrebe primarne energije koristi oko 55 % geotermalnu energiju, prije svega za grijanje.

JESTE LI ZNALI?

U Islandu se geotermalna energija koristi i za otapanje snijega i leda u naseljima.

Direktno korištenje geotermalne energije u Hrvatskoj najviše najviše se primjenjuje za toplice i lječilišta (oko 114 MWt instaliranih kapaciteta), a manji dio za zagrijavanje (oko 37 MWt). U Hr-vatskoj postoji tradicija iskorištavanja geotermalne energije iz prirodnih izvora u medicinske svrhe i za kupanje. Brojne toplice koriste upravo geotermalnu energiju (Varaždinske, Daruvarske, Stubičke toplice, Lipik, Topusko itd.). Proizvodnja geotermalne vode za navedene toplice pri-je se vršila kroz prirodne izvore, dok se danas uz prirodni protok koristi geotermalna voda iz plitkih bušotina. Ukupno postoji 28 nalazišta, od kojih je 18 u upotrebi. Postoji velik potencjal za povećavanje korištenja geotermalne energije za toplice i komunalno grijanje, za primjenu u poljoprivredi (proizvodnja u staklenicima), uzgoju riba te industriji (posebno prehrambenoj). Po-

164


tencijalno važno iskustvo u ovom smjeru može predstavljati izgradnja i korištenje lokacija Velika Ciglena i Lunjkovec-Kutnjak gdje se planira, uz zdravstvenu i turističku namjenu, direktno koristiti toplinu za sušare, proizvodnju povrća, uzgoj ukrasnog bilja, komunalno grijanje te jednim dijelom i proizvodnju električne energije.

PROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE IZ GEOTERMALNE ENERGIJE

Jedan od oblika iskorištavanja geotermalne energije je proizvodnja električne energije gdje se koriste vruća voda i para iz Zemlje za pokretanje generatora. Stoga nema izgaranja fosilnih goriva i pripadajućih štetnih emisija plinova stakleničkih u atmosferu, odnosno ispušta se samo vodena para. Zbog svojih tehničkih karakteristika i osnovnih komponenti geotermalne elektrane mogu se lagano uklopiti implementirati u najrazličitijim okruženjima, od farmi, osjetljivih pustin-jskih površina pa sve do šumsko-rekreacijskih područja.

Način proizvodnje električne energije iz geotermalnih izvora načelno je sličan klasičnoj pretvorbi unutrašnje kaloričke energije iz konvencionalnih izvora toplinske energije (npr. fosilna goriva). Bitna razlika u odnosu na tradicionalne termoelektrane je ipak nužnost otkrivanja povoljnog ge-otermalno nalazišta i izvođenja jedne ili više bušotina na lokaciji s geotermalnim potencijalom. Dodatno, parametri medija (temperatura, tlak i sl.) koji se služi za prijenos topline uglavnom se razlikuju od parametara medija klasične termoelektrane. Trenutno je u svijetu instalirano oko 13 GWe snage geotermalnih elektrana što predstavlja oko 0,3 % ukupnog instaliranog kapaciteta u svjetkim elektranama. Prosječni faktor opterećenja geotermalnih elektrana (omjer prosječne angažirane snage i maksimalne instalirane snage u nekom periodu) iznosi i preko 70 %. Trenutna godišnja proizvodnja iz geotermalnih elektrana procjenjuje se na oko 75 TWh električne energi-je.

Izbor tehnologije za proizvodnju električne energije ovisi o vrsti geotermalnih ležišta pri čemu je osnovna karakteristika temperatura geotermalnog fluida. Geotermalno ležište je zapravo rezer-voar toplinske energije unutar Zemljine kore iz kojeg se na ekonomičan način može dobiti koris-na toplina za proizvodnju električne energije i druge direktne ili indirektne načine upotrebe slika.

Kako je već prije navedeno, najznačajnija podjela geotermalnih ležišta je prema temperaturi odnosno termodinamičkim i hidrološkim obilježjima izvora. Geotermalna ležišta za proizvodnju električne energije mogu se podijeliti na:

• Ležišta vruće vode,

• Ležišta suhe vodene pare,

• Vruće i suhe stijene i

165


• Ležišta tople vode pod visokim tlakom.

Ležišta vruće vode - Geotermalna ležišta su uglavnom ležišta vruće vode. Uz dovoljno visoku temperaturu (više od 180 °C) voda se na površini može pretvoriti u paru i koristiti izravno u turbini za proizvodnju električne energije. Uz temperature između 100° i 180 °C, toplinska energija geo-termalnog fluida se koristi za isparavanje sekundarnog fluida koji pokreće turbinu (binarna geo-termalna elektrana). Ovakva ležišta na površini se očituju u obliku pare, vruće vode i sl. Trenutno su ovakva ležišta edina pogona za komercijalnu proizvodnju električne energije.

Ležišta suhe vodene pare – Ovakva ležišta su vrlo rijetka ali predstavljaju najkvalitetnije geoter-malne izvore koji daju suhu paru visoke entalpije (temperature oko 240 °C) na ulazu u postrojen-je. Takva postrojenja se po svojoj izvedbi i snazi (reda 100 MW) ne razlikuju značajno od klasičnih termoelektrana budući da se prirodna suha para može izravno koristiti za proizvodnju električne energije u klasičnim parnim turbinama. Po tehnološkoj izvedbi su najjednostavnija te komerci-jalno najisplativija opcija iskorištavanja geotermalne energije za proizvodnju električne energije.

Vruće i suhe stijene – Predstavljaju ogroman potencijal, no budući da se nalaze na većim dubina-ma i da su siromašna fluidom ili imaju nisku propusnost fluida, komercijalna upotreba ovih ležišta za proizvodnju električne energije trenutno je praktički nemoguća. Razlog tomu je slaba vodlji-vost toline stijena pa nije dovoljno samo doseći toplu stijenu nego je dodatno toplinu potrebno izdvojiti pomoću cirkulacijskih fluida koji prolazi šupljinama i rascjepima stijene. Kako bi se mogli iskoristiti ovi potencijali nužno je hidraulički polomiti i izdrobiti stijene do dovoljne dubine kako bi se dobila dovoljno velika površina za prijelaz topline između stijene i vode. Hladna voda se uti-skuje kroz jednu umjetnu bušotinu među stijene, a ugrijana voda se odvodi kroz drugu bušotinu na površinu i tamo se iskorištava.

Ležišta tople vode pod visokim tlakom - Nalaze se na vrlo velikim dubinama, umjerene su tem-perature i sadrže otopljeni metan. Trenutno nisku ekonomski isplativa.

U ovisnosti na kojim su ležištima izvedena trenutno se koriste tri osnovna tipa geotermalnih elek-trana koje se razlikuju s obzirom na princip iskorištavanja geotermalne energije:

• Princip suhe pare (eng. Dry steam),

• Flash princip (eng. Flash steam) i

• Binarni princip (eng. Binary cycle).

Geotermalne elektrane na suhu paru koriste iznimno vruću paru (tipično iznad 240 °C) suhozasićenu ili pregrijanu paru s tlakovima višim od atmosferskog tlaka, direktno iz ležišta boga-tog parom koja direktno pokreće turbinu generatora. Ovakve elektrane koriste najjednostavniji, najstariji i ujedno najjeftiniji princip generiranja električne energije iz geotermalnih izvora. Već spomenuta prva geotermalna elektrana na svijetu u Landerel-lo-u koristi upravo princip suhe pare. Para se nakon ekspanzije u turbini može ispuštati u atmos-feru pogotovo u slučajevima kada para sadrži velik udio ne-kondezibilnih plinova. U slučaju izvedbe postrojenja s konden-zacijom pare na izlazu iz turbine u konvencionalnim rashladnim tornjevima, nastali kondenzat može se koristiti u rashladnom sustavu elektrane i utiskivati nazad u ležište. Tako se zapra-vo ležište obnavlja te se održava

166


potreban tlak. Specifičnost ovakvih elektrana su centrifugalni separator neistoća dolazne pare prije turbine i parni ejektor za uklanjanje nekondezibilnih plinova (do 10% mase; uglavnom CO2, NH4 i H2S) iz kondenzatora slika.

Geotermalne elektrane s isparavanjem primjenjuju tzv. Flash princip i koriste se u geotermalnim ležištima s vrućom vodom (tipično iznad 200 °C) pod visokim tlakom primjenjuje se tehnologija geotermalnih elektrana s isparavanjem. Budući da kod ovakvih ležišta nema prisutne prirodne pare potrebno ju je proizvesti koristeći dostupnu vruću vodu pod tlakom. Voda pod tlakom u iz-bušenoj bušotini struji prema površini budući da je tlak u bušotini općenito niži od tlaka u ležištu vruće vode. Zbog smanjenja tlaka vode,

jedan njezin dio isparava pa iz bušotine istovremeno izlaze topla voda i paru. Pri tome je voda ipak uglavnom dominantna faza pa se ta ležišta također nazivaju i ležišta s vlažnom parom. Voda koja se nije pretvorila u paru vraća se natrag u ležište zbog ponovne upotrebe. Ovakva ležišta su korištena u većini modernih geotermalnih elektrana. Fluid iz ovih ležišta uglavnom ima visok salinitet jer geotermalna voda često sadrži veliku količinu otopljenih minerala, uglavnom klorida, bikarbonata, sulfata, borata, fluorida i silicija. T

o može prouzročiti zasoljenje cjevovoda i postrojenja. Ovakva eksploatacijska polja proizvode veliku količinu otpadne vode te je upravo zbog velike količine otopljenih minerala geotermalni fluid potrebno vratiti natrag u ležište, putem utisne bušotine.

Budući da se postoji rizik oštećenja turbinskih lopatica vlažna para se ne može koristiti kod stan-dardnih turbina. Stoga se kod svih geotermalnih elektrana koje koriste ležišta vlažne pare koriste separatori za odvajanje pare od vode. Separiranje pare se odvija u jednom, dva (slika) i rjeđe tri stupnja.

Broj stupnjeva se povećava za bolji ukupni stupanj djelovanja kod lošijih izvora. Kombinirani proces proizvodnje električne i toplinske energije ponekad se koristi umjesto trostupanjske sep-aracije pare.

Geotermalne elektrane s binarnim ciklusom se koristi za geotermalna ležišta koja daju hladniju vodu (na temperaturi tipično od 100 do 200 °C) od vode koja se koristi kod ostalih navedenih principa generiranja električne energije iz geotermalnih izvora. T

167


ako se kod binarnih geotermalnih elektrana vruća voda zapravo koristi za grijanje sekundarne tekućine koja ima znatno nižu temperaturu vrelišta od vode, odnosnao ta druga tekućina ima temperaturu isparava na temperaturi vruće vode i pokreće turbinu generatora (slika).

U sekundarnom krugu se dakle koristi lako hlapljivi radni fluid, kao na primjer halogeni ugljik-ovodici (npr. Freon, Frigen), propan, izobutan, pentan, amonijak i dr. Taj je termodinamički ciklus poznat kao Organski Rankineov Ciklus (ORC).

Radni fluid u sekundarnom krugu isparava u isparivaču pomoću geotermalne topline iz primar-nog kruga. Binarne geotermalne elektrane su dakle po termodinamičkom principu najbliže ter-moelektranama na fosilna goriva ili nuklearnim elektranama kod kojih radni fluid također izvodi stvarni zatvoreni ciklus.

Radni fluid, odabran prema povoljnim termodinamičkim svojstvima, prima toplinu od geotermal-nog fluida, isparava, ekspandira u turbini, kondenzira, te se vraća u isparivač pomoću napojne pumpe. S druge pak strane upotrijebljena voda vraća se natrag u ležište pa je gubitak topline smanjen, a gubitci vode u ležištu svedeni su na minimum.

Prednost ovih elektrana je odvajanje turbinskog dijela (kružnog procesa) od dolazne prirodne vruće vode čime se smanjuje korozija i taloženje nečistoća.

Također binarne geotermalne elektrane omogućavaju pretvorbu geotermalne topline u elek-tričnu energiju iz srednje temperaturnih izvora s vlažnom parom s visokim udjelom vode kod temperatura koje su preniske za praktičnu primjenu sustava s isparavanjem.

Binarna postrojenja pretvaraju toplinu srednje temperaturnih izvora u električnu energiju efikas-nije nego ostale tehnologije. Potrebno je napomenuti da je i dostupnost potrebnih geotermalnih ležišta za binarne geotermalne enlektrane puno veća nego kod ostalih spomenutih postupaka.

Dodatna prednost je potpuna zatvorenost sistema budući da se upotrijebljena voda vraća na-trag u rezervoar pa je gubitak topline smanjen, a gotovo da i nema gubitka vode u ležištu.

168


X. ENERGETSKA UČINKOVITOST

Kako ne bi bilo zabune, u hrvatskom se jeziku kao sinonimi za pojam ‘učinkovitost’ često upotre-bljavaju i pojmovi ‘efikasnost’ ili ‘djelotvornost’. Svi ovi pojmovi koriste se i za opisivanje radnje koja donosi željeni rezultat, bez obzira na značajke te radnje, odnosno na uz nju vezane gubitke. Tako se dakle može odrediti na primjer da učinikovitost proizvodnje električne energije iz termo-elektrane na ugljen iznosi oko 35 % što predstavlja značajku te termoelektrane.

ŠTO JE TO ENERGETSKA UČINKOVITOST?

S druge pak strane ‘energetska učinkovitost’ ili ‘energetska efikasnost’ uvijek znače isto: težnju da se upotrijebi što je manje moguće energije za istu aktivnost ili za isti željeni rezultat. U tom smislu može se reći na primjer da je mjerama energetske učinkovitosti stupanj učinkovitog djelo-vanja termoelektrane na ugljen povećan s 35 % na 36 %. Nije na odmet napomenuti još jednom da su i bolja i lošija učinkovitost tek karakteristika djelovanja termoelektrane, dok je poboljšanje učinkovitosti rezultiralo uporabom mjera energetske učinkovitosti.

Tako se energetska učinkovitost može definirati kao skup mjera s ciljem korištenja minimalne moguće količine energije uz zadržavanje jednake razine udobnosti ili stupnja produktivnosti nekog proizvodnog procesa. Pojednostavljeno, energetska učinkovitost podrazumijeva uporabu manje količine energije za obavljanje iste željene aktivnosti.

Pojam energetske učinkovitosti odnosi se na učinkovitu uporabu energije u svim sektorima kra-jnje potrošnje energije, tj. u industriji, prometu, uslužnim djelatnostima, poljoprivredi i u kućanst-vima.

Česta je greška izjednačavati energetsku učinkovitost i štednju energije. Energetska učinkovitost nikako se ne smije promatrati kao štednja energije, budući da štednja uvijek podrazumijeva određena odricanja. Nasuprot tome učinkovita uporaba energije nikada ne narušava kvalitetu aktivnosti u kojoj se koristi (slika).

Takoj je na primjer gašenje ili prigušivanje svjetla mjera štednje dok je zamjena žarulje sa žarnom niti učinkovitijom žaruljom uz zadržavanje iste razine osvjetljenja mjera energetske učinkovitosti. Ipak štednja energije i energetska učinkovitost imaju nešto zajedničko: obje mjere smanjuju potrebu za proizvodnjom energije pa tako imaju određeni potencijal za smanjenje emisije stak-leničkih plinova.

U tom pogledu najveće smanjenje potreba za energijom rezultira istovremenom štednjom um-jerenim smanjenjem razine komfora i primjenom energetski učinkovitijih mjera i rješenja (slika).

169


Poboljšanje energetske učinkovitosti podrazumijeva dakako primjenu određenih inovativnih teh-ničkih rješenja. No bez obzira na napredne karakteristike određene tehnologije i opreme, i bez obzira koliko energetski učinkovita ona bila, te karakteristike neće doći do izražaja ukoliko njome upravljaju needucirani i nekvalificirani pojednici koji ju neće znati služiti na najučinkovitiji mogući način. Prema tome, jedan od osnovnih preduvjeta energetska učinkovitost je svijesti i spremnost ljudi za promjenom ustaljenih neučinkovitih navika prema energetski učinkovitijim rješenjima. Pravilna primjena mjera energetske učinkovitosti dodatno omogućava određene ekonomsko-fi-nancijske dobrobiti budući da se smanjuju troškovi energenata i povećava konkurentnost proiz-vodnih procesa.

Iz prethodno navedenog mogu se razlučiti dakle tri osnovne komponente energetske učinkov-itosti. To su:

• Ekonomsko financijska komponenta,

• Tehnološka komponenta i

• Ljudska i organizacijska komponenta.

ENERGETSKI RAZREDI I CERTIFIKATI

Budući da kupnja kućanskih uređaja predstavlja višegodišnju investiciju, prilikom njihove kupnje, osim o cijeni, treba voditi računa i o troškovima električne energije koji će rezultirati korištenjem tog uređaja tijekom očekivanog vijeka trajanja. Ta potrošnja energije ovisi o karakteristikama uređaja, odnosno o njegovoj energetskoj učinkovitosti. S ciljem promocije proizvodnje ener-getski učinkovitih uređaja i buđenja svijesti kupaca, Europska Unija je 1992. godine usvojila je direktivu (EC 92/75/ECC). Ta direktiva definira uređaje koji moraju biti označeni oznakom razreda energetske učinkovitosti te propisuje oblik i sadržaj oznake o energetskoj učinkovitosti uređaja.

U Republici Hrvatskoj energetske razrede, koje definira ‘Pravilnik o označavanju energetske učinkovitosti kućanskih uređaja’ službeno moraju imati: perilice i sušilice za rublje, perilice za suđe, električne pećnice, hladnjaci i ledenice, klimatizacijski uređaji te žarulje s izravnim napa-janjem iz električne mreže. Osnovna svrha ovih razreda jest informiranje kupca o stupnju učinko-vitosti kojim specifični uređaj iskorištava električnu energiju i vodu kao i o razini buke pri radu uređaja.

Drugim riječima oznaka energetske učinkovitosti kupcima kućanskih uređaja pomaže pri odabiru odgovarajućeg energetski učinkovitog uređaja. Na oznaci su uz informacije o proizvođaču pre-dočene i informacije o energetskom razredu uređaja pa je moguća usporedba s ostalim modeli-ma na temelju potrošnje energije slika.

170


Prema sustavu označavanja uređaji se dijele na sedam razreda energetske učinkovitosti (A, B, C, D, E, F, G) pri čemu su u A i B razredu bili vrlo učinkoviti uređaji, a u F i G energetski neučinkoviti uređaji (slika). Daljnjim rastom svijesti o energetskoj učinkovitosti, uređaji su postali sve učinkov-itiji pa se pojavila potreba za dodatnim oznakama za visoko učinkovite uređaje. Iz tog razloga je direktiva 2010/30/EU dodala tri nova razreda (A+, A++ i A+++) iznad razreda A. Radi bolje uočlji-vosti razlike među energetskim razredima označene su i bojama pa je tako najviši razred uvijek zelene, a najniži crvene boje.

PRIMJER

Uspoređuju se dvije perilice rublja istih volumena, a različitih energetskih klasa. Prva perilica je energetske klase D i troši prosječno oko 1,5 kWh po satu pranja, a druga energetske klase A, koja je ujedno 600 kn skuplja prilikom kupnje. Ako se pretpostavi da je cijena električne energi-je 1 kn/kWh te da perilica radi u prosjeku 1 sat dnevno može se približno odrediti da će perilica razreda D godišnje potrošiti oko 550 kn dok će perilica razreda A godišnje potrošiti oko 300 kn. Iz jednostavnog proračuna je dakle jasno da će se početna razlika u cijeni isplatiti nakon 2,4 godine. Ukoliko se pretpostavi da životni vijek perilice rublja oko 10 godina, ukupnu ušteda koja se tijekom životnog vijeka perilice ostvari odabirom perilice razreda A na električnoj energiji iznosi oko 1900 kn.

Osim svrstavanja uređaja u odgovarajuće razrede energetske učinkovitosti, započeo je sličan proces i sa zgradama. Uočeno je naime da je moguće značajno smanjiti nepotrebno rasipanje golemih količina zgradama što je rezultiranjem uvođenja certificiranja zgrada. Energetski cer-tifikat je dokument kojim se iskazuju energetska svojstva zgrade, a izdaje se sa svrhom informi-ranja vlasnika i korisnika zgrada o energetskim svojstvima zgrade. Najveći potencijal uštede energije u zgradama leži u potrošnji za grijanje, pripremi tople vode, klimatizaciji i rasvjeti.

Ulazak Hrvatske u Europsku Uniju je bio krajnji rok predaje zahtjeva za legalizaciju objekata, a također je označio i početak izdavanja energetskih certifikata. Ministarstvo graditeljstva i pros-

171


tornog uređenja tako je donijelo odluku da svaka nekretnina od 1. 7. 2013. kojom se truje mora imati energetski certifikat kako sastavni dio dokumentacije koja se daje kupcu na uvid prije sk-lapanja ugovora o prodaji.

Forma energetskog certifikata kaoi i način certificiranja definirana ‘Pravilnik o energetskom pre-gledu zgrade i energetskom certificiranju’. Tako se na energetskom certifikatu zgrade (stambene ili nestambene) navodi energetski razred s potrebnom toplinskom energijom za jednu godinu za specifičnu zgradu. Prema energetskom razredu se procjenjuje količina utrošene toplinske energije, te se ta vrijednost gleda kao okviran broj, odnosno ne uzima se kao točan podatak. Energetski razred se određuje prema površinskoj gustoći utrošene energije, te se izražava u kWh/m2. Energetski razredi se slično kao kod električnih uređaja označavaju slovima od A+ do G (dakle za zgrade postoji 8 energetskih razreda). Pri tome je G najlošiji energetski razred, dok su najbolji energetski razredi A i A+ (slika).

Zadatak: Znate li ima li objekt u kojem živite izdan energetski certifikat? Ako ima kojeg je razre-da?

Zgrada s potrebnom godišnjom gustoćom topline za grijanje između 25 i 50 kWh/(m2a) naziva se niskoenergetskom i svrstava se u energetski razred B. Još manju potrošnju toplinske energije zahtijevaju zgrade koje imaju potrošnja između 15 i 25 kWh/(m2a) i svrstavaju se u A energetski razred. Zgrade kojima je potrebna potrošnja energije za grijanje manja od 15 kWh/(m2a) svrstava-ju se u energetski razred A+ i nazivamju se pasivnim ili gotovo nula energetskim građevinama.

U Hrvatskoj je trenutno najviši energetski razred zgrada C razred, pa se od novih zgrada očekuju da budu barem energetskog razreda C (trenutno važeći zakoni u Hrvatskoj zahtijevaju taj mini-mum). Za svrstavanje u bolje enegretske razrede od zakonskog minimuma, zgradama je nužno značajno smanjiti toplinske gubitke kroz ovojnicu zgrade povećanjem toplinske zaštite. Kvalitet-na toplinska izolacija može se provesti izolacijom vanjskog zida, izolacijom krova ili stropa prema negrijanom prostoru, izolacijom poda na tlu ili prema negrijanom prostoru te zamjenom stolarije i roletama. Moguće je i koristiti učinkovite izvore energije temeljene na obnovljivim i alternativnim energetskim sustavima što smanjuje ukupnu potrebu za toplinskom energijim iz vanjskih izvora.

172


U A i A+ razred spadaju neke zgrade u visoko razvijenim državama koje primjenjuju najmoderniju tehnologiju u energetskom održavanju i opremanju zgrada.

ENERGETSKI PREGLEDI ZGRADA

Energetski pregled zgrade je postupak kojim se temeljem prikupljnih dostupnih podataka i obavljenih jednostavnih mjerenja analiziraju postojeća potrošnja i energetska svojstva zgrade te potom određuju prikladne mjere poboljšanja energetske učinkovitosti i isplativost istih. Umjesto naziva energetski pregled zgrade često se koristi i nazivi energetski audit.

Prema važećoj legislativi obveza i način provođenja energetskih pregleda razlikuju se prema namjeni i vrsti građevina. Tako se razlikuju energetski pregledi javnih zgrada, zgrada velikih po-trošača i jednostavnih zgrada.

Energetski pregled zgrade predstavlja temeljni i nezaobilazni korak pri procjeni trenutnog stanja učinkovitosti potrošnje energije i vode, kao i pri kontroli potrošnje i smanjenju troškova energije, energenata i vode u zgradama. Za potrebe prikupljanja podataka koriste se često upitnici za pri-kupljanje podataka o potrošnji energije i vode te aktivnostima koje se obavljaju u zgradi. Također se prikupljaju kopije svih računa za sve oblike energije, energenata i vode u prošlom razdoblju.

Za daljnju analizu često u procesu energetskog pregleda proizvodnih postrojenja vrlo je koristan tzv. dijagram raspršenja koji prikazuje vezu između proizvodnje nekog dobra i pripadajuće po-trošnje energije (slika).

Pri tome se potrošnja nekog oblika energije ili vode prikazuje kao zavisna varijabla u ovisnosti o proizvodnji kao nezavisnoj varijabli. Na osnovu analize podataka iz dijagrama raspršenja može se identificirati više korisnih informacija kao što su:

• postojanje ili nepostojanje jasne veze između potrošnje i proizvodnje,,

• jačina povezanosti potrošnje proizvodnje,

• prikladni numerčki oblik kojim se može opisati ovisnost potrošnje i proizvodnje (slika) (polinom prvog stupnja, drugog stupnja itd.).

Nadalje moguće je identificirati periode u kojima se energija učinkovitije koristila odnosno periode kada se energija koristila manje učinkovito. Potom se mogu potražiti uzroci uočenih odstupanja i odrediti koliko su oni opravdani i može li ih se izbjeći (npr. nužno obilježje proizvod-nog procesa ili ljudski nemar).

U procesu energetskog pregleda se temeljem obrade prikupljenih podataka o zgradi i pripada-jućim tehničkim sustavima u građevini određuju trenutne energetske karakteristike zgrade:

• građevinske karakteristike u smislu toplinske zaštite i potrošnje energije,

• energetske karakteristike sustava za grijanje, hlađenje, ventilaciju i klimatizaciju,

173


• energetske karakteristike sustava za pripremu potrošne tople vode,

• energetske karakteristike sustava potrošnje električne energije,

• energetske karakteristike sustava potrošnje pitke i sanitarne vode,

• energetske karakteristike pojedinih grupa trošila i ostalih tehničkih sustava u građevini i

• način korištenja građevine i pripadajućih energetskih sustava te sustava potrošnje vode.

U sklopu pripreme za energetski pregled često je potrebno definirati funkcionalne cjeline koje se energetskim pregledom analiziraju. To su energetske funkcionalne cjeline i predstavljaju za-sebne funkcionalne i energetske cjeline za koje je moguće mjeriti pripadajuću potrošnju energi-je i vode te parametre koji utječu na potrošnju istih.

Nakon određivanja tehničkih i energetskih karakteristika zgrade moguće je identificirati mjesta nepotrebne ili neučinkovite potrošnje energije ili vode te potom dati prijedloge i analizu mjera za poboljšanje energetske učinkovitosti. Tijekom energetskog pregleda zgrade izvode se brojna kontrolna mjerenja i analize slijedećih cjelina: načina gospodarenja energijom u zgradi, toplinske karakteristike vanjske ovojnice, sustav grijanja, hlađenja, ventilacije i klimatizacije, sustava za pri-premu potrošne tople vode, sustava napajanja, razdiobe i potrošnje električne energije, sustava električne rasvjete, specifičnnih podsustava po potrebi (komprimirani zrak, elektromotorni pogo-ni i dr.), sustava opskrbe vodom, sustava mjerenja, regulacije i upravljanja, alternativnih sustava opskrbe energijom.

Tijek i aktivnosti energetskog pregleda prikazani su na slici.

Temeljem provedenih analiza pojedinih navedenih cjelina odabiru se konkretne mjere koje tre-baju biti optimalne iz energetske, tehnološke, ekološke i ekonomske perspektive. Stoga je pred-ložene mjere potrebno ispitati s obzirom na njihovu izvodljivost na promatranoj zgradi te životni

174


vijek i potom procijeniti energetske, ekonomske i ekološke uštede. Na osnovu energetskog pregleda zgrade ovlaštena osoba može izdati energetski certifikat za istu zgradu.

ENERGETSKI UČINKOVITE KUĆE

Energetski učinkovitim kućama se smatraju one kuće koje u usporedbi s prosječanim, troše manje energije za grijanje i pripremu tople vode. Proces oblikovanja energetski učinkovite kuće očituje se u modernijem pristupu i korištenju novih materijala i tehnologija. Osim smanjenja en-ergije za grijanje i ovakve kuće smanjuju i zagađenje okoliša zbog manjih emisija stakleničkih plinova. Ipak za izgradnju niskoenergetske ili pasivne kuća nije dovoljno samo koristiti deblji sloj izolacije vanjske ovojnice kuće i zamjenom stolarije. Ovakve kuće zahtijevaju multidisciplinarni pristup kod projektiranja, odnosno suradnju stručnjaka iz različitih polja kao što su arhitekti, stro-jari, električari i građevinari. U energetski učinkovite kuće ubrajaju se: niskoenergetske kuće, pasivne kuće, nulte energetske kuće, energetski neovisne kuće i plus energetske kuće.

Niskoenergetska kuća ima značajno manje manje potrebe za grijanjem od običnih kuća. Ipak, ne postoji globalno prihvaćena definicija niskoenergetske kuće budući da postoje značajne rezlike u nacionalnim standardima zbog različitih klimatskih prilika u pojedinim državama. Tako kuće koje su izgrađene u sjevernijim, hladnijim krajevima, zimi više griju, ali ljeti ne moraju hladiti dok one u južnim i toplijim krajevima zimi manje griju, a ljeti moraju i hladiti. U Hrvatskoj gornja granica za niskoenergetske kuće iznosi 30 kWh/m2 godišnje za grijanje prostorija.

JESTE LI ZNALI?

Niskoenergetske kuće često se nazivaju i ‘trolitarske kuće’. Razlog tomu je činjenica da je za njihovo grijanje zapravo dovoljno 3 litre lož ulja/m2 godišnje.

Za izvedbu niskoenergetske kuće potrebno je: koristiti energiju Sunčevog zračenja (solarni kolektori ili fotonaponski paneli), ugraditi energetski učinkovite prozore, osigurati visoku razinu nepropusnosti zraka, omogućiti povrat topline u sustavu ventilacije kao i iz tople vode koja je korištena kod tuširanja ili u stroju za pranje posuđa.Pasivne kuće troše još manje energije od niskoenergetskih kuća. Tako gornja granica za pasivne kuće iznosi 15 kWh/m2 godišnje za gri-janje prostorija. Tako niske razine potrošnje pasivne kuće ostvaruju zahvaljujući maksimalnom uklanjanju toplinskih gubitaka i maksimalnom iskorištavanju slobodne energije. U odnosu na niskoenergetske kuće pasivne se razlikuju u korištenju vrlo debele toplinske izolacije vanjske ovojnice kuće, kontrolirane ventilacija s mogućnošću povrata topline i dogrijavanja, prozora s 3-slojnim staklom punjenim plinom i nepostojanju konvencionalnog sustava grijanja zbog vrlo niskih toplinskih gubitaka. Temelj pasivne kuće je korištenje Sunčeve energije za grijanje kuće u zimskom periodu i sprečavanje upada sunčevog zračenja u ljetnom periodu čime se smanjuje potreba za hlađenjem.

Sustav mehaničke ventilacije koristi izmjenjivač topline, gdje se izlazni i potrošeni zrak iz unutrašnjosti može po potrebi predati ili primiti toplinu od svježeg ulaznog zraka. Za do-datno povećenje energetska neo-visnosti pasivne kuće, ugrađuje se sustav grijanja s dizalicom topline. Ovaj sustav temelji se na činjenici da na određenoj dubini ispod površine vlada konstantna temperatura, neo-visno o godišnjem dobu. Tako se izgradnjom sustava cijevi i cirkulaci-jom vode na ovaj način može za-

175


dovoljiti jedan dio potreba za grijanjem i pripremom potrošne tople vode ili jedan dio potreba za hlađenjem, ovisno o godišnjem dobu (slika).

Nulta energetska kuća jest vrsta kuće na godišnjoj razini troši 0 kWh/m2 energije za grijanje iz vanjskih izvora. Drugim riječima to je kuća s nultom neto energetskom potrošnjom i nultom neto emisijom stakleničkih plinova godišnje To je moguće ostvariti maksimalnim korištenjem energi-je Sunca ali i drugih obnovljivih izvora energije za proizvodnju električne energije. Ipak bitno je naglasiti da ovakva kuća nije potpuno neovisna o sustavima javne opskrbe (prije električne enerije). Tako u nekim povoljnim trenucima ova kuća predaje višak proizvedene električne en-ergije u mrežu, dok u drugim trenucima preuzima energiju iz mreže. Pri tome je ukupna pruzeta električna energija približno jednaka predanoj električnoj energiji. tako da je konačna bilanca poravnata. U pravilu ovakve zgrade imaju 40 do 60 cm debeo sloj toplinske izolacije, nemaju tradicionalan sustav grijanja, te koristi spremnik topline kojim premošćuju potrebe za toplinom u oblačnim danima.

Energetski neovisna kuća nije ovisna o sustavima javne opskrbe, te svu potrebnu energije prim-jenom pretvorbe i pohrane Sunčeve energije, ali i ostalih dostupnih obnovljivih izvor energi-je. Ove kuće koriste spremnike energije za skladištenje proizvedenih viškova koji se koriste u trenucima kada proizvodnja nije dovoljna da podmiri trenutnu potrošnju kuće. Tako se za toplin-sku energiju koristi kombinacija solarnih kolektora kolektora i spremnika topline, a za električnu energiju koristi se uglavnom kombinacija fotonaponskih sustava i baterija.

Još napredniji oblik energetski neovisne kuće predstavlja plus energetska kuća ili kuća elektra-na. Ova kuća je priključena na javnu električnu mrežu, ali taj priključak koristi isključivo za predaju viška proizvedene električne energije iz obnovljivih izvora energije (slika).

JEDNOSTAVNE I EDUKACIJSKE MJERE ENERGETSKE UČINKOVITOSTI

Jedna od najučinkovitijih, a gotovo besplatna, mjera energetske učinkovitosti je promjena sva-kodnevnih navika i stavova pojedinca prema potrošnji energije. Ova mjera u konačnici rezultira značajnim uštedama energije, a primjenjiva je kako u kućanstvima tako i u javnim zgradama. Ostale besplatne mjere energetske učinkovitosti kojima se može uštedi čak do 20 % ukupne energije u zgradama su:

• u sezoni grijanja ne pretjerivati s iznosom sobne temperature budući da se procjenjuje da smanjenje temperature od 1 °C rezultira uštedom od oko 5 % ukupne energije za gri-

176


janje (preporuka 21 °C);

• u sezoni hlađenja ne pretjerivati s iznosom sobne temperature budući da se procjenjuje da smanjenje temperature od 1 °C rezultira povećanjem od oko 3 - 5 % ukupne energije za hlađenje (preporuka 27 °C);

• održavati filtar klima uređaja čistim;

• isključiti ili smanjiti grijanje ili hlađenje tijekom noći;

• spustiti rolete i navući zavjese tijekom noći zbog bolje izolacije;

• omogućiti ulazak Sunčevog zračenja u zimskim mjesecima podizanjem roleta i micanjem zastora čim se može uštedjeti i do 5 % energije za grijanje;

• spriječiti ulazak Sunčevog zračenja u ljetnim mjesecima spuštanjem roleta ili sjenila te zatvaranjem prozora;

• izbjegavati pokrivanje radijatora i sličnih grijaćih uređaja;

• pravilno tempirati grijanje i pripremu tople vode;

• podesiti termostate na grijačima vode i po mogućnosti ne zagrijavati vodu iznad 50 °C;

• koristiti što više prirodno osvjetljenje umjesto umjetnog;

• paziti da rasvjetna tijela ne budu nepotrebno uključena;

• energetske uređaje isključiti nakon korištenja.

Dodatnih 20 % uštede energije može se ostvariti mjerama energetske učinkovitosti čiji su inves-ticijski troškovi relativno niski (do 1000 kn), a tu spadaju:

• provjeriti i po potrebi zabrtviti prozore, vrata i ostale pukotine;

• paziti na kvalitetu okova na prozorima i vratima;

• izolirati niše radijatora i spremnike roleta;

• koristiti vremenski upravljive prekidače na sustavima grijanja i sličnim sustavima;

• ugraditi termostatske ventile na radijatorima čime se može uštedjeti i do 15 % energije;

• voditi računa o stanju sustava grijanja i hlađenja te ih redovito servisirati;

• koristiti samo energetski učinkovita rasvjetna tijela.

Mjere energetske učinkovitosti koje se svrtsavaju u rang srednjih investicijskih troškova (1000 do 3000 kn), a koje mogu smanjiti ukupnu potrošnju energije za dodatnih 20 % su:

• korištenje upravljačkih mehanizama u sustavima grijanja i pripreme tople vode;

• zamjena električnih uređaja energetski učinkovitijim (poželjno energetski razredi A do A+++).

U nešto skuplje mjere energetske učinkovitosti čiji se potencijal uštede procjenjuje na oko 40 % ukupne energije su:

• toplinska izolacija krova ili stropa prema tavanu;

• toplinska izolacija cijele vanjske ovojnice kuće (zidovi, podovi i ostle granice prema ne-grijanim dijelovima);

• ugraditi energetski učinkovite prozore kojima je faktor prolaza topline manji od 1,4 W/m2K;

177


• propisno izolirati spremnik i cijevi tople vode;

• ugraditi sustav automatske kontrole i nadzora sustava potrošnje energije i vode;

• zamijeniti dotrajale lotlove koji su stariji od 10 godina;

• koristiti solarne kolektore za pripremu tople vode.

Poticanje promjene ponašanja i stavova prema potrošnji energije treba započeti već u ranoj dobi. Ipak veći problem danas predstavlja starija dobna skupina koja nije toliko upoznata s energetskom učinkovitošću. Stoga se poduzimaju različite promotivne mjere kojim se privlači pozornost svih dobnih skupina. Neke od mogućih edukacijskih mjera energetske učinkovitosti su: postavljanje tzv. info kutaka energetske učinkovitosti, obilježavanje Energetskog dana, kon-tinuirano medijsko informiranje potrošača o dostupnim načinima energetske uštede, organiziran-je radionica, seminara i prigodnih natjecanja, ciljano obrazovanje odgajatelja u predškolskim ustanovama na temu energetske učinkovitosti i dr.

Osim navedenih specifičnih i općih mjera energetske učinkovitosti postoje i brojne druge metode koje su prilagođene području u kojemu se primjenjuju (industrija, promet i dr). U nastavku teksta biti će detaljnije opisane neke od mjera energetske učinkovitosti koje se često primjenjuju u kućama i zgradama.

PRIMJERI MJERA ENERGETSKE UČINKOVITOSTI U ZGRADAMA

Mjere koje najznačajnije utječu na smanjenje iznosa režijskih računa za grijanje su postavljanje ili poboljšanje toplinske izolacije vanjskih zidova, te zamjena prozora. Uštede su tim veće što je trenutna izvedba fasade i prozora lošija pa se to se pogotovo odnosi na kuće bez fasade, te one koje su građene bez adekvatne toplinske izolacije. Uz to što smanjuje potrebu za energijom grijanja u zimskom periodu, vanjska izolacija i kvalitetni prozori sprječavaju i pregrijavanje pros-toriju u kući u ljetnom periodu. Tako se može izbjeći ugradnju klima uređaja, ili smanjiti potreban kapacitet i potrošnju energije istog.

Toplinska izolacija vanjskih zidova

Vanjska toplinska izolacija također omogućava održavanje konstantne temperature unutarnje površine zidova što spriječava probleme s kondenzacijom pare (od kuhanja, tuširanja, sušenja odjeće) uslijed niske temperature zida, te posljedični nastanak gljivica i pljesni. Dodatna korist toplinske izolacije očituje se u zaštiti zgrade od štetnih vanjskih utjecaja (vlaga, smrzavanje, pre-grijavanje) čime joj produžuje vijek trajanja. Naknadnu toplinsku izolaciju ponekad nije moguće izvesti s vanjske strane zbog specifičnosti objekta (potrebna je suglasnost svih stanara, objekt pod zaštitom i sl.). Tada se iznimno toplinska izolacija izvodi s unutrašnje strane zida.

Građevni materijali od kojih se izgrađuje vanjski razlikuju se u toplinskim svojstvima. Iz perspek-tive toplinske izolacije najbolje karakteristike imaju porobeton i posebna termoopeka. Kvaliteta toplinske izolacije zidova ovisi o debljini izolacijskog sloja (d), te provodljivost izolacijskog ma-terijala (λ) (W/mK) (slika).

178


Za potrebe toplinske izolacije zgrada danas se najčešće koriste kamena i staklena vuna, te polistiren (stiropor). Toplinska vodljivost izolacijskih materijala kreće se u rasponu 0,030-0,045 W/mK.

Zadatak: Koji materijali imaju bolja izolacijska svojstva, oni s manjim ili većim iznosom toplinske vodljivosti?

Cijena investicije u toplinsku izolaciju kreće se u rasponu od oko 200 kn/m2 do 300 kn/m2 ovis-no o vrsti izolacije debljine 10 cm. Koeficijent prolaza topline vanjskog zida (U), kojeg treba ga razlikovati od koeficijenta toplinske vodljivosti, toplinskom izolacijom treba svesti na razinu ispod 0,25 W/m2K. Procjena je da se ovom mjerom može uštedjeti oko 40 – 60 % energije potrebne za grijanje i to u ovisnosti o zatečenom stanju objekta.

JESTE LI ZNALI?

Za dvije kuće jednakih dimenzija, jednu građenu od pune opeke bez toplinske izolacije, a drugu od šuplje cigle uz dodatnu prikladnu toplinsku izolaciju, troškovi za grijanje mogu se razlikovati i do 6 puta!

PRIMJER

Promatra se kuća energetskog razreda E koja na grijanje troši oko 200 kWh/m2 godišnje, a ima ukupnu grijanu površinu 200 m2.

Kuća nema izvedenu kvalitetnu toplinsku izolaciju. Ukoliko se investira u izvedbu odgovarajuće toplinske izolacije moguće je grubo procijeniti godišnje uštede energije grijanja na oko 80 – 120 kWh/m2 odnosno 16000 – 24000 kWh godišnje. Ovisno o načinu grijanja pridružene financisjke uštede iznose:

• električna energija (cca. 1 kn/KWh): 16000 – 20000 kn;

• prirodni plin (cca. 0,5 kn/KWh): 8000 – 10000 kn;

• ogrijevno drvo (cca. 0,25 kn/KWh): 4000 – 5000 kn.

Uz pretpostavku da je vanjska površina kuće oko 400 m2 investicija u toplinsku izolaciju se grubo može procijeniti na oko 80000 – 120000 kn. Tako se jednostavnom računicom može procijeniti vrijeme povrata investicije u ovisnosti o načinu grijanja:

• električna energija: 5 – 6 godina;

• prirodni plin: 10 – 12 godina;

• ogrijevno drvo: 20 – 24 godine.

Životni vijek ove mjere energetske učinkovitosti iznosi oko 50 godina.

Zamjena vanjske stolarije

Osnovna funkcija prozora kao građevnog elementa jest osiguravanje odgovarajuće zvučne i toplinske izolacije, kao i omogućavanje prirodnog provjetravanja prostora. Navedene funkcije postižu se primjenom odgovarajućih materijala i konstrukcijskih profila.Prozor istovremeno služi kao prijemnik koji propušta sunčevu energiju u prostor te kao zaštita od vanjskih utjecaja i top-linskih gubitaka, stoga je izvedba toplinske izolacije prozora najizazovniji dio izvedbe toplinske izolacije vanjske ovojnice kuće. Ukupni gubitci kroz prozore sastoje se od transmisijskih (kroz zatvoren prozor) i ventilacijskih (kroz otvoren prozor).

Kvalitetnijom izvedbom prozora smanjuju se prije svega transmisijski gubitci na koje utječe više detalja od kojih je temeljni koeficijent prolaznosti topline kroz staklene površine i profile prozora. Taj koeficijent na staklima se smanjuje ugradnjom dvostrukih i trostrukih stakala, pri čemu se među prostori pune zrakom, ili još bolje nekim inertnim plinom (npr. argonom) koji djeluje kao

179


toplinski izolator. Posebnim slojem, tzv. Low-E premazom (premaz niske emisivnosti), dodatno se smanjuje zračenje topline preko prozora. S druge pak strane gubitci ventiliranjem se mogu smanjiti ugradnjom ventilacijskog sustava ili pomoću senzora otvorenosti prozora koji se pove-zuje direktno sa kontrolom grijanja/hlađenja i isključuje sustav kada se prozor otvori.

JESTE LI ZNALI?

Ukupni toplinski gubici kroz prozore iznose oko 50 % toplinskih gubitaka zgrade i obično su i desetak puta veći od toplinskih gubitaka kroz zidove (slika).

Toplinski gubici kroz prozor događaju se kako kroz staklo, tako i kroz okvir prozora te okolne toplinske mostove. Za razliku od prozora na starim zgradama kod kojih koeficijent prolaza topline iznosi oko 3,0 - 3,5 W/m2K i više kvalitetno toplinski izolirani prozori trebali bi postići barem preporučeni iznos od 1,4 W/m2K.

Cijena investicije zamjene vanjske stolarije kreće se u rasponu od oko 1500 kn/m2 do 2000 kn/m2 ovisno o izvedbi prozora. Procjena je da se ovom mjerom može uštedjeti oko 10 – 15 % energije potrebne za grijanje i to u ovisnosti o zatečenom stanju objekta.

PRIMJER


Kuća ima stare dotrajale vanjske otvore. Ukoliko se investira u ugradnju vanjske stolarije s kvalitet-nom toplinskom izolacijom moguće je grubo procijeniti godišnje uštede energije grijanja na oko 20 – 30 kWh/m2 odnosno 4000 – 6000 kWh godišnje. Ovisno o načinu grijanja pridružene financisjke uštede iznose:




Uz pretpostavku da je ukupna površina vanjskih otvora kuće oko 30 m2 investicija u vanjsku stolariju se grubo može procijeniti na oko 45000 – 60000 kn. Tako se jednostavnom računicom može procijeniti vrijeme povrata investicije u ovisnosti o načinu grijanja:

• električna energija: 10 – 11 godina;

• prirodni plin: 20 – 22 godina;

• ogrijevno drvo: 40 – 45 godina.


Ugradnja termostatskih ventila

Ugradnjom termostatskih ventila na ogrjevna tijela omogućava fino reguliranje željene tempera-ture u prostorijama te na taj način smanjiti potrošnju ogrjevne energije. Uglavnom se koriste radi-jatorski termostatski ventili koji se smještaju na radijatore i na taj način omogućavaju regulaciju temperature u svakoj prostoriji u kojoj se nalaze (slika).

180


Termostatski radijatorski venitl omogućava ko-rištenje svih dostupnih izvora topline u pros-toriji (sunce, ljude, kućanski aparate....) te na taj način omogućava ostvarivanje ušteda. Tre-ba imati na umu da se pojedinačni radijatorski ventili se ne ugrađuju na radijatore u prostori-jima u kojima postoji centralni sobni termostat.

Cijena ugradnje termostatskog ventila kreće se u rasponu od oko 200 kn do 300 kn po komadu ovisno o izvedbi i željenoj primjeni. Procjena je da se ovom mjerom može ušted-jeti oko 5 – 10 % energije potrebne za grijanje i to u ovisnosti o zatečenom stanju objekta.

PRIMJER


Kuća ima ukupno 20 radijatora koji trenutno nemaju ugrađene termostatske ventile. Ukoliko se investira u postavljanje novih termostatskih ventila na svaki radijator moguće je grubo procijeniti godišnje uštede energije grijanja na oko 10 – 20 kWh/m2 odnosno 2000 – 4000 kWh godišnje. Ovisno o načinu grijanja pridružene financijske uštede iznose:




Investicija u termostatske ventile se grubo može procijeniti na oko 4000 – 6000 kn. Tako se jed-nostavnom računicom može procijeniti vrijeme povrata investicije u ovisnosti o načinu grijanja:

• električna energija: 1,5 – 2 godine;

• prirodni plin: 3 – 4 godine;

• ogrijevno drvo: 6 – 8 godina.


Zamjena rasvjetnog sustava

Osim nevedenih mjera energetske učinkovitosti koje smanjuju potrebu za toplinskom energijim odrđene uštede moguće je ostvariti u pogledu potrošnje električne energije. Tako je prethodno već naveden primjer ušted zamjenom postojećeg uređaja novim uređajem boljeg energetskog razreda. Ipak najveći potencijal za smanjenje i najčešće primijenjena mjera energetske učinko-vitosti kojom se ostvaruju uštede električne energije je ugradnja rasvjetnih tijela većeg stupnja učinkovitosti (slika).

181


Cijena energetski učinkovitog rasvjetnog tijela iznosi oko 30 kn do 100 kn po komadu ovisno o izvedbi i snazi. Procjena je da se ovom mjerom može uštedjeti do oko 80 % električne energije potrebne za rasvjetu. Dodatna prednost modernih štednih žarulja je i značajno duži životni vijek u odnosu na tradicionalne žarulje sa žarnom niti (slika).

PRIMJER

Za procjenu ušteda koje se mogu ostvariti u sustavu rasvjete potrebno je poznavati razliku u učinkovitosti rasvjetnih tijela koja se koriste i rasvjetnih tijela koja se planiraju ugraditi kao zam-jena za postojeća. Također je potrebno barem orijentacijski poznavati broj radnih sati pojedinog rasvjetnog tijela.

Kao primjer može poslužiti žarulja sa žarnom niti snage 100 W koja dnevno radi u prosjeku 5 sati te godišnje potroši oko 180 kWh. Zamjenom ove žarulje suvremenom energetski učinkovitom žaruljom moguće je ostvariti godišnje uštede od oko 150 kWh odnosno 150 kn uz cijenu elek-trične energije od 1 kn/kWh.

Uz konzervativnu procjenu cijene nove žarulje u iznosu od 100 kn, jednostavnom računicom može se procijeniti vrijeme povrata ove investicije na oko 8 mjeseci.

Životni vijek ove mjere energetske učinkovitosti iznosi od nekoliko godina pa čak do 10 godina, ovisno o vrsti i načinu korištenja rasvjetnih tijela koja se ugrađuju.

182


PROJEKT STEM GENIJALCI

Korisnik projekta: Gimnazija Matija Mesić

Vrijednost projekta: 2.474.286,40 kuna.

Trajanje projekta: 12 mjeseci (listopad 2015. – listopad 2016.)

Partneri u projektu: Strojarski fakultet Slavonski Brod i Gimnazija Nova Gradiška

Ciljevi projekta:Opći cilj projekta je doprinijeti povećanju broja učenika koji upisuju STEM (Science, Technology, Engineering, and Mathematics) studijske programe i povećanju njihovog uspjeha na studiju te konkurentnosti na tržištu rada omogućavanjem stjecanja dodatnih kompetencija iz STEM i ICT područja.

Specifični ciljevi projekta:• Razvijeni inovativni kurikulumi usmjereni na stjecanje kompetencija iz STEM i ICT područja.• Osigurani uvjeti za uvođenje novorazvijenih kurikuluma u sustav obrazovanja u Gimnaziji

Matija Mesić i Gimnaziji Nova Gradiška i promoviran značaj STEM kompetencija.

Aktivnosti na projektu:I. Unaprjeđenje nastavničkih kompetencija za izradu i implementaciju kurikuluma• Formiranje 5 radnih skupina za izradu 5 fakultativnih kurikuluma• Edukacija nastavnika o izradi kurikuluma i formuliranju ishoda učenja• Studijski posjet Italiji radi upoznavanja primjera dobre prakse• Studijski posjet Institutu Ruđer Bošković• Edukacija o obnovljivim izvorima energije• Edukacija nastavnika o inovativnim nastavnim metodama rada “Čitanje i pisanje za kritičko

mišljenje “

II. Razvoj fakultativnih kurikuluma iz područja STEM-a i ICT-a• Analiza postojećih kurikuluma• Razvoj fakultativnog kurikuluma iz područja biologije• Razvoj fakultativnog kurikuluma iz područja kemije• Razvoj fakultativnog kurikuluma iz područja fizike• Razvoj fakultativnog interdisciplinarnog kurikuluma iz područja matematike i informatike• Razvoj fakultativnog interdisciplinarnog kurikuluma iz područja obnovljivih izvora energije• Izrada 5 priručnika za nastavu s ispitima za provjeru usvojenosti ishoda učenja• Izrada digitalnih sadržaja za provedbu kurikuluma• Edukacija za primjenu digitalnih sadržaja• Studijsko putovanje u Amsterdam radi upoznavanja primjera dobre prakse i iskustva u razvo-

ju tehnologija obnovljivih izvora energije i njihovog povezivanja s gimnazijskim kurikulumima iz STEM područja

III. Unaprjeđenje materijalnih uvjeta za implementaciju novorazvijenih kurikuluma• Opremanje praktikuma za kemiju• Opremanje praktikuma za biologiju• Opremanje praktikuma za matematiku i informatiku• Opremanje praktikuma za fiziku• Nabavka opreme za provedbu interdisciplinarnog kurikuluma Obnovljivi izvori energije.

183


IV. Diseminacija novorazvijenih kurikuluma i promocija STEM kompetencija• Izrada portala za E-učenje• Okrugli stol – STEM – budućnost Europske unije• Izrada brošure za promociju STEM kompetencija• Sajam ideja na Fakultetu Kemijskog inženjerstva u Zagrebu• Osnivanje STEM kluba• Dan otvorenih vrata STEM kluba

Promidžba i vidljivost• Uvodna konferencija• Promocija u medijima• Promotivni materijali• Završna konferencija

Upravljanje projektom i administracija• Sastanci projektnog tima• Sastanci s partnerima• Izvještavanje prema Ugovornom tijelu

184


BILJEŠKE

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

185


__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

_________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

Documents

Priručnik "Obnovljivi izvori energije"