Proizvodnja električne energije

Mreža mlade generacije Hrvatskoga nuklearnoga društva (MMG HND)Tehnički muzej, Zagreb

Zagreb, 2013.

Prednosti i nedostaci postojećih tehnologija

IzdavačiMreža mlade generacije Hrvatskoga nuklearnoga društva,

www.nuklearno-drustvo.hr

Tehnički muzej, Zagreb, www.tehnicki-muzej.hr

IlustracijeMartina Štengl, Josip Lebegner

Dizajn i prijelomMix ideja d.o.o., Zagreb

Zagreb, 2013.

Proteklo će stoljeće u povijesti razvoja civili-zacije ostati zabilježeno kao razdoblje veli-kih sukoba, ali i velikoga napretka znanosti i

tehnologije. Na početku prošloga stoljeća Zemlju je naseljavalo oko milijardu i pol ljudi. Danas se taj broj povećao na više od sedam milijardi. Prosječ-na očekivana životna dob tada je iznosila tridese-tak godina, a danas iznosi više od šezdeset godina.

Elek tr ična energija jedno je od ključnih otkrića jer njezina primjena omogu-ćuje vrtoglav napredak znanosti i tehnologije, a samim time i kvalitete ljudskoga života. Prvi su put velike količine energije upora-bljive za najrazličitije aktivnosti bile dostupne gotovo svakomu. Danas je svakodnevni život modernoga čovjeka u većem dijelu svijeta (naime i dalje go-tovo trećina svjetske populacije nema pristup električnoj energi-ji) bitno ovisan o pouzdanim i jefti-nim izvorima električne energije. Teš-ko se može zamisliti neka ljudska aktivnost koja ne uključuje uporabu električne ener-gije, čak i onda kada to nije tako očito.

Uvod

U posljednje vrijeme ljudska vrsta postaje svje-sna da svojim načinom života i potrebom da ži-vot učini što lakšim i ugodnijim ugrožava biljne i životinjske vrste s kojima dijeli sudbinu Zemlje. To se ponajprije očituje u onečišćavanju okoliša,

a jedan od najvećih izvora onečišćava-nja uporaba je fosilnih goriva za grija-nje, transport i proizvodnju električne energije.

Neupitno je da su nam kvali-tetni izvori električne ener-gije prijeko potrebni i da će nam u budućnosti trebati

sve više i više električne ener-gije, no isto je tako neupitno

da je briga o okolišu jedna od primarnih zadaća koje mo-

ramo obaviti da bismo budućim generacija-

ma ostavili Zemlju kao ugodno mjesto za život.

Svrha je ove brošu-re upoznati čitate-

lje s postojećim tehnologijama p r o i z v o d n j e

električne ener-gije i skrenuti im

pozornost na prednosti i nedo-statke svake od njih.

3

Udio pojedinih izvora energije u proizvodnji električne energije

Proizvodnja električne energije − elektrane

Kako bi se energijom koja je svugdje oko nas mogli koristiti, ljudi su razvili način do-bivanja i prijenosa električne energije.

Električna je energija postala temelj civilizacije i preduvjet razvoja jer je to oblik (sekundarne) energije prikladan za prijenos i ponovnu pretvor-bu prema namjeni (u mehaničku, toplinsku ili ke-mijsku energiju).

Energija (definirana kao sposobnost obavljanja rada) u svome primarnom obliku može biti:

kinetička •potencijalna •unutrašnja kalorička (toplina) •kemijska •nuklearna. •

U elektranama se oblici primarne energije (ili energija Sunčeva zračenja) pretvaraju u elek-tričnu energiju. Postoji nekoliko podjela elek-trana prema učestalosti upotrijebljenih izvora energije (pa onda i prema tehnološkoj razvije-nosti za proizvodnju velikih količina energije). Tako imamo:

konvencionalne (klasične) − unutrašnja energija •fosilnih goriva (ugljena, plina, nafte), potencijal-na energija vode te nuklearna energija (uranija)nekonvencionalne (alternativne) − kinetička •energija vjetra, potencijalna (energija plime i oseke te valova) i toplinska energija mora, unu-trašnja energija biogoriva (biodizela i bioplina) te biomase, geotermalna energija, nuklearna energija (fuzija) te Sunčevo zračenje.

Opći su kriteriji za izbor prihvatljivosti tehnologije za proizvodnju električne energije, uz nužnu si-gurnost opskrbe električnom energijom:

potencijal u odnosu na buduće potrebe (zalihe) •tehnička razvijenost •ekonomska prihvatljivost •utjecaj na čovjeka i okoliš. •

4 5

67%

13%

17%

3%

Fosilna goriva

Nuklearna goriva

Hidroenergija

Ostali obnovljivi izvori

67%

13%

17%

3%3%

Termoelektrane na ugljen termoelektrane su u kojima se potrebna količina topline osigurava iz-garanjem ugljena. Iako termoelektrane na ugljen imaju znatan (negativan) ekološki utjecaj, razvoj i primjena novih tehnologija značajno pridonose smanjenju toga utjecaja (primjerice mjere za sma-njenje emisija dušikovih oksida, sumporova diok-sida i čestica, odsumporavanje, filtri za uklanjanje čestica ili izdvajanje ugljikova dioksida). Danas se najviše električne energije u svijetu proizvodi upravo u ovakvim postrojenjima.

Termoelektrane na ugljen

Termoelektrane su energetska postrojenja u kojima se toplina (dobivena izgaranjem fo-silnih i drugih goriva, odnosno nuklearnom

fisijom) pretvara u mehaničku, a potom u električ-nu energiju. Dakle dobivena toplina služi za pre-tvorbu vode u paru. Para pokreće turbinu, a ona pak pokreće generator električne energije.

Termoelektrane možemo podijeliti:prema vrsti pogonskih strojeva (plinsko-turbin- •sko postrojenje, parno-turbinsko postrojenje te kombinirana postrojenja)prema načinu upotrebe pare (kondenzacijske, •proizvode samo električnu energiju, i kogenera-cijske, proizvode i električnu energiju i paru)prema gorivu •prema hlađenju (protočno ili povratno hlađenje •kondenzatora).

Prednostirelativno jeftina električna energija (niska i •stabilna cijena ugljena na svjetskome tržištu)zalihe ugljena dovoljne su za sljedećih 300 − •900 godina (ovisno o proizvodnji električne energije, odnosno o potrebama za električ-nom energijom)poznata i pouzdana tehnologija dobivanja, •prerade i uporabe ugljena

Nedostacinesreće u rudnicima ugljena •velike količine ugljena potrebne za pogon •elektrane (elektrana od 500 megavata treba oko 3 500 tona ugljena dnevno)iskapanjem rude i izgaranjem ugljena stvara- •ju se velike količine otpada (otpad može biti opasan i kemijski i radijacijski)emisije dušikovih i sumporovih oksida iz ter- •moelektrana odgovorne su za stvaranje kiselih kiša, a one su opasne za biljni i životinjski svijetemisija dušikova dioksida iz termoelektrana •dominantna je komponenta ljudskih emisija stakleničkih plinova

4 5

6 7

Prirodni plin smjesa je plinovitoga ugljiko-vodika s prevladavajućim udjelom metana (između 75 i 97 posto), a ostatak, u znatno

manjim udjelima, čine etan, propan, butan, dušik, ugljikov dioksid i drugi spojevi.

Plin se danas rabi u kombiniranim plinsko-par-nim postrojenjima u kojima je učinkovitost to-plinske pretvorbe znatno veća nego u klasičnim termoenergetskim postrojenjima. Još se veća učinkovitost uporabe energije (do 90 posto) postiže povezivanjem kombiniranoga procesa s kogeneracijskim procesom (tzv. termoelek-trane-toplane), pri čemu se iskorištava otpadna toplina parne turbine.

Prednostispecifične investicije plinskih termoelektrana •relativno su niske (više od dvostruko niže od in-vesticijskih troškova termoelektrana na ugljen)troškovi održavanja plinskih termoelektrana •znatno su niži od troškova održavanja termo-elektrana na ugljenprirodni plin najčišće je fosilno gorivo − goto- •vo ne sadržava sumpor pa je emisija sumpo-rova dioksida u dimnim plinovima termoelek-trane na plin neznatna, dok je s druge strane, zbog visoke učinkovitosti kombiniranih pro-cesa, emisija ugljikova dioksida također sma-njena u odnosu na emisije pri iskorištavanju drugih fosilnih goriva

Nedostacicijena električne energije u plinskoj termoelek- •trani znatno varira i može postati vrlo skupa (ci-jena goriva jako ovisi o geopolitičkim uvjetima)onečišćenje okoliša zbog istjecanja metana •te ugljikova i dušikova dioksida na bušotiniprirodni je plin skup, posebice su visoki troš- •kovi prijenosazalihe su plina male, a i očekuju se znatan ma- •njak prirodnoga plina nakon 2020. godineplin je vrlo neravnomjerno raspoređen u svi- •jetu − u većim ga količinama ima samo u Sibi-ru i Skandinaviji te na Bliskome istoku

Termoelektrane na plin

6 7

Nuklearna je elektrana vrsta termoelektra-ne koja pretvara nuklearnu energiju (po-hranjenu u jezgrama atoma nuklearnoga

goriva) u toplinsku energiju posredstvom nukle-arne fisije. Fisija se odvija u nuklearnome reaktoru, a dobivena se toplina upotrebljava za proizvod-nju pare. Ona pokreće parnu turbinu spojenu na električni generator.

Reaktori koji su u pogonu reaktori su takozvane II. generacije. Danas se rade reaktori III. i III.+ genera-cije, a razvijaju se reaktori IV. generacije. Prednosti reaktora IV. generacije jesu učinkovitije iskorištava-nje nuklearnoga goriva (a time i bolje upravljanje zalihama), poboljšana nuklearna sigurnost i manji volumen nastaloga radioaktivnog otpada.

Tip reaktora Gorivo Moderator Rashladni fluid Broj u svijetu

PWR (eng. Pressurized Water Reactor) obogaćeni uranijobična voda (bez vrenja)

obična voda 264

BWR (eng. Boiling Water Reactor) obogaćeni uranijobična voda(uz vrenje)

obična voda 92

HWR (eng. Heavy Water Reactor) obogaćeni uranij teška voda teška voda 44

GCR (eng. Gas Cooled Reactor, „magnox”) + AGR (eng. Advanced Gas Reactor)

metalni, prirodni uranij; obogaćeni uranij

grafit ugljikov dioksid 18

RBMK (rus. reaktor boljšoj močnosti kipjaščij); LWGR (eng. Light Water Cooled, Graphite Moderated Reactor)

obogaćeni uranij grafit obična voda 16

HTGR (eng. High Temperature Gas Reactor) obogaćeni uranij grafit helij 4

FBR (eng. Fast Breeder Reactor) obogaćeni uranijnema ga

(brzi neutroni)tekući metal 2

Nedostacinastajanje radioaktivnoga otpada •negativna percepcija javnosti (strah od mogu- •će nuklearne nesreće, zbrinjavanje otpada)

Prednostistabilan i pouzdan izvor električne energije •konkurentna cijena kilovatsata električne ener- •gije proizvedene u nuklearnoj elektrani nema emisije stakleničkih plinova •nudi mogućnost drugih primjena (desaliniza- •cija, kogeneracija − grijanje, proizvodnja velikih količina vodika bez emisije ugljikova dioksida)

Nuklearne elektrane

Energija biomase

Biomasa je zajednički naziv za različite pro-izvode biljnoga i životinjskoga podrijetla či-jim se spaljivanjem dobiva toplinska energi-

ja koja se može rabiti za grijanje ili za proizvodnju električne energije u manjim termoelektranama. Isto se tako može upotrebljavati i za proizvodnju biogoriva (bioetanola i biodizela) te bioplina. Bio-plin se može upotrebljavati za pogon vozila ili kao gorivo za termoelektrane, dakle za proizvodnju električne energije.

Biomasa se može podijeliti:na drvnu biomasu (ostaci i otpad nastao pri pi- •ljenju, brušenju, blanjanju i sličnom) na nedrvnu biomasu (ostaci i otpad iz poljopri- •vrede: slama, oklasak, stabljike, koštice, ljuske i drugo)na biomasu životinjskoga podrijetla •na biomasu iz otpada (zelena frakcija kućnoga •otpada te biomasa iz parkova i vrtova).

Biomasa se smatra obnovljivim izvorom energi-je i često se naziva ugljično neutralnim gorivom, unatoč tomu što može doprinijeti globalnome zagrijavanju. To se događa ako se poremeti rav-noteža sječe i sadnje drveća, na primjer pri krče-nju šuma ili pri urbanizaciji zelenih površina. Kada

Prednostimanje emisije kiselih spojeva nego pri izgara- •nju fosilnih gorivaneutralna emisija ugljikova dioksida (jednaka •ili manja od one koju je biljka apsorbirala pro-cesom fotosinteze)mogućnost zapošljavanja stanovništva u ru- •ralnim krajevima

Nedostaciekonomska neisplativost za proizvodnju elek- •trične energijemala snaga i raspršenost proizvodnih jedinica •smanjuje se površina poljoprivrednoga ze- •mljišta za proizvodnju hrane, što tu proizvod-nju čini skupljom

se biomasa upotrebljava kao gorivo umjesto fosilnih goriva ispušta jednaku količinu ugljikova dioksida u atmosferu. Ugljik iz biomase, koji sači-njava otprilike pedeset posto njezine mase, već jest dio atmosferskoga ugljičnoga kruga. Biomasa apsorbira ugljikov dioksid tijekom svoga životnog ciklusa te ga ispušta natrag u atmosferu kad se upotrebljava za dobivanje energije.

8 9

Nedostaciznačajan utjecaj na lokalne hidrološke susta- •ve i mikroklimuvelik utjecaji na lokalnu floru i faunu •poplavljivanje zemljišta (koje može biti iskori- •šteno na drugi način)moguća je potreba za raseljavanjem stanov- •ništva (izgradnja velikih brana)velike brane jako utječu na riječni tok i potencijal- •na su opasnost (zbog mogućnosti loma brane)proizvodnja ovisi o hidrološkim uvjetima •

Hidroelektrane su postrojenja koja se grade na određenome dijelu rijeke kako bi se ener-getski iskoristila potencijalna energija vode

u proizvodnji električne energije. Potencijalna se energija vode najprije pretvara u kinetičku energiju njezina strujanja, a potom u mehaničku energiju vrt-nje vratila turbine te, konačno, u električnu energiju u električnome generatoru. Hidroelektranu u širem smislu čine i sve građevine i postrojenja koja služe za prikupljanje, dovođenje i odvođenje vode, potom za pretvorbu, transformaciju i razvod električne ener-gije te za smještaj i upravljanje cijelim sustavom.

Prema načinu iskorištavanja vode, odnosno regu-lacije protoka, hidroelektrane se dijele:

na akumulacijske, kod kojih se dio vode priku- •plja (akumulira) kako bi se mogao upotrijebiti kada je potrebnije

na protočne, kod kojih se snaga vode iskorištava •kako ona dotječena reverzibilne ili crpno-akumulacijske, kod ko- •jih se dio vode koji nije potreban pomoću viška struje u sustavu crpi i akumulira na većoj visini, odakle se pušta kada je potrebnije.

Proizvodnja u hidroelektranama najrasprostra-njeniji je način proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora i obuhvaća otprilike 16 posto ukupno proizvedene električne energije. Prva hidroelektrana u Europi sagrađena je u Šibeniku, na rijeci Krki. Puštena je u pogon 28. kolovoza 1895., čime je Šibenik postao prvi grad u svijetu s izmjeničnom strujom i prvi grad u Hrvatskoj s javnom rasvjetom. Hidroelektrana Jaruga još uvijek je u pogonu.

Hidroelektrane

Prednostiproizvodnjom električne energije ne stvara •se otpad i nema emisija tvari koje onečišćuju okoliš (jer nema izgaranja goriva)niski proizvodni troškovi (nema troška goriva, •dug životni vijek hidroelektrane) protočne hidroelektrane pomažu u prevenciji •poplava i regulaciji riječnoga prometa vodospremnici akumulacijskih hidroelektra- •na osiguravaju vodu za navodnjavanje i za kućnu uporabu

8 9

Vjetroelektrane

Tehnologija za uporabu kinetičke energije vjetra za proizvodnju električne energije jest vjetroelektrana. Drugačije rečeno, sustav s

mnogo vjetroagregata smještenih na istoj lokaciji naziva se vjetroelektrana (ili vjetropark).

Vjetroagregat se sastoji od rotora (vjetroturbina), koč-noga sustava, elemenata za uležištenje vratila, uprav-ljačkoga i nadzornoga sustava, električnoga genera-tora, opreme za zakretanje, kućišta stroja (gondole), stupa, prijenosnika snage, temelja, transformatora, spoja na elektroenergetski sustav te posebne opre-me. Iako postoje različite izvedbe i konstrukcije vje-troagregata, danas su najzastupljeniji vjetroagregati s horizontalnom osi, a instalirana snaga danas dose-že između 3 i 4,5 megavata.

Vjetroelektrane mogu biti kopnene (onshore), pu-činske (offshore), a razvijaju se i plutajuće i visinske (zračne) vjetroelektrane.

Nedostaciniska ukupna iskoristivost vjetropotencijala •(oko 30 posto)niska iskoristivost maksimalne snage vjetro- •elektrane zbog parametara vjetra (brzine, intenziteta, trajanja)relativno veliko zauzeće zemljišta zbog male •gustoće energije vjetra (za proizvodnju 1000 megavata potrebno je područje od 50 do 150 četvornih kilometara)buka •nepovoljan utjecaj na karakteristike elektro- •energetskoga sustava zbog nestalnosti pro-izvodnjepotreba za subvencijama i naknadama zbog •još nekonkurentne proizvodne cijene po ki-lovatsatune smanjuje se potreba za izgradnjom drugih •(konvencionalnih) tipova elektrana

Prednostienergetska postrojenja koja tijekom rada ni •kemijski ni biološki ne onečišćuju okoliš (jer nema izgaranja goriva)smanjivanje specifičnih troškova investicije •(napredak tehnologije i državne subvencije/naknade)mogućnost kombiniranoga pogona (sa solar- •nim i plinskim elektranama)

10 11

Solarne elektrane (solarna energija)

Solarne termalne elektrane ili Sunčeve termo-elektrane izvori su električne energije dobi-vene pretvorbom Sunčeve energije. Dva su

osnovna načina za pretvorbu Sunčeve energije u električnu energiju. Prvi je izravna pretvorba energije s pomoću solarnih ćelija fotonaponskom konverzijom, dok je drugi način klasični, pretvor-bom Sunčeve energije u toplinsku energiju, a zatim toplinske u električnu energiju. S obzirom na neraspoloživost solarnih elektrana tijekom noći, razvijaju se koncepti energetskih spremnika (energy storage).

Koncentrirana solarna (termalna) elektranaZbog potrebe za visokim temperaturama gotovo se svi oblici solarnih termalnih elektrana moraju koristiti nekakvim oblikom koncentriranja Sun-čevih zraka s velikog prostora na malu površinu. Kako se tijekom dana položaj Sunca na nebu mijenja, tako se stalno mijenja i najpovoljniji kut pod kojim njegove zrake padaju na zrcala. Stoga je potrebno ugraditi sustave koji će stalno prila-gođavati njihov položaj. Ti su sustavi nužni kako bi se dobila što veća učinkovitost, no oni i najviše pridonose tome što su cijene solarnih termalnih elektrana vrlo visoke.

Snižavanje cijene moguće je skladištenjem to-pline (a ne struje) jer je takva tehnologija danas jeftinija, a proizvodnja topline ionako je nužna

za funkcioniranje ovakvoga tipa elektrana. Time je također moguće dobivati električnu energiju i onda kada to inače ne bi bilo moguće (za vrijeme smanjene insolacije − mjera energije solarne radi-jacije primljene ili predane od određene površine u određenome vremenu).

Prednostineiscrpan izvor energije •pogon ni kemijski, ni radioaktivno, ni toplinski •ne onečišćuje okolišpri primjeni nema potencijalnih opasnosti •perspektivna i za razvijene i za nerazvijene •zemlje

Nedostacizemljopisno neravnomjerno raspoređena •oscilacije tijekom dana, mjeseca i godine •mala gustoća energetskoga toka •proizvodnja dijelova i komponenata solarnih •elektrana znatno opterećuje okoliš slaba ekonomska isplativost •pri iskorištavanju zauzima velike površine •ne smanjuje se potreba za izgradnjom drugih •(konvencionalnih) tipova elektrana

10 11