Висока школа електротехнике и рачунарства струковних студија

СЕМИНАРСКИ РАДиз предмета Основи електроенергетике

Необновљиви извори енергије

Професор: Студент:

др Ивана Влајић-Наумовска Стефан Станисављевић ЕЛИТЕ 39/14

Београд,2015.

Основи електроенергетике, април 2015.

Садржај

1. Увод.........................................................................................................................................3

1.1 Статиситика недостаци и експлоатисање необновљивих извора...............................4

2. Угаљ........................................................................................................................................5

2.1 Настанак и подела...........................................................................................................5

2.2 Екологија и састав...........................................................................................................6

2.3 Експлоатација угља.............................................................................................................................................6

2.4 Примена угља.................................................................................................................. 6

3. Нафта ....................................................................................................................................7

3.1 Настанак нафте................................................................................................................7

3.2 Експлоатација налазишта...................................................................................................................................7

3.3 Потрошња, захтеви и цена.............................................................................................................................................8

4. Природан гас .........................................................................................................................9

4.1 Карактеристике, историја и употреба.......................................................................................................................................9

4.2 Вађењењ природног гаса из земље................................................................................9

4.3 Највећи произвођачи, увозници и извозници природног гаса....................................9

5.Нуклеарно гориво...................................................................................................................10

5.1 Нуклеарна енергија........................................................................................................10

5.2 Производња нуклеарне енергије..................................................................................10

5.3 Утицај на околину и отпремање радиоактивног отпада............................................10

6. Геотермална енергија............................................................................................................11

6.1 Појам...............................................................................................................................11

6.2 Експлоатација.................................................................................................................11

6.3 Принцип коришћења геотермалне енергије................................................................11

Литература.................................................................................................................................12

Увод

Многоструке повезаности енергетике, привредног развоја и услова живота становништва упућују на појачани интерес државе у области енергетике. Практично свака земља у одређеној мери спроводи државну политику развоја енергетског сектора да би обезбедила потребне количине енергије уз што мање непосредне и посредне трошкове. Обезбеђење енергије на ефикасан начин је вишедимензионални проблем и укључује: дефинисање неопходних количина енергије са становишта објективних могућности и услова развоја земље, те агрегатне енергетске ефикасности, техничке, технолошке и еколошке аспекте производње, конверзије, транспорта и потрошње енергије, избор друштвено и економски прихватљиве цене, сигурности и континуитета у снадбевању енергијом.

Државном енергетском политиком и њеним инструментима потребно је обезбедити амбијент за оптимално задовољење постављених захтева, често и међусобно опречних. Карактеристике енергетике, а посебно потребно време за изградњу капацитета, упућују на сагледавања у продуженом временском хоризонту.

Енергетика је, много више него остале делатности, нарочито током претходне две деценије, попримила глобалне размере, и ту чињеницу мора да уважава свака енергетска стратегија.

Енергетски ресурси су ограничени, у највећем делу необновљиви и неравномерно распоређени. Светско тржиште енергије делом је контролисано од стране мултинационалног капитала, али је и подложно непредвидивим утицајима других, превасходно политичких фактора. Светске цене су у великој мери постале репер за вредновање домаћих енергетских ресурса. Производња и коришћење енергије су велики загађивачи животне средине, а еколошке последице не могу се локализовати на државну територију. Међународне конвенције и прописи заштите околине постали су обавезујући за националне енергетике.

У необновљиве изворе енергије спадају:- угаљ- нафта- гас- нуклеарна енергијa- геотермална енергија

3

1.1 Статистика, недостаци и експлоатисање необновљивих извора

Данас се 85-90% енергије добија из тзв. фосилних горива (нафта,угаљ,гас), 8% енергије потиче из нуклеарних електрана а само 3,3 % енергије добија изобновљивих извора енергије.Залихе необновљивих извора енергије су свакогдана све мање због немогућности њиховог обнављања и све веће потрошње,па се стога сматра да ће човечанство већ од следећег века остати без ових за свет веома значајних.

Главни недостатак необновљивих извора енергије је тај што се сагоревањем фосилних горива (угаљ,нафта,гас) у атмосферу испуштају велике количине угљендиоксида(CО2). То је уједно и главни проблем искоришћавања фосилних горива гледано са еколошког аспекта.Нуклеарне електране насупрот фосилним горивима не испуштају угљен диоксид (CO2) али након употребе нуклеарног гориво је изузетно радиактивно и потребно га је складиштити више десетина година (најрадиоактивније и више стотина година) у сигурним бетонским базенима или подземним бункерима.

Експлоатисање необновљивих извора енергије има и своју добру страну,а то је што се њиховим експлоатисањем добија далеко више енергије у односу на обновљиве изворе енергије.

Повећање концентрације угљен-диоксида у атмосфери. Видљиво је знатно повећање емисије на крају 20. века.

4

Угаљ2.1 Настанак и подела

Угаљ представља измењене остатке праисторијске вегетације, првобитно акумулиране у мочварама и тресетиштима. Акумулације муља и осталих седимената, у спрези померањима Земљине коре [тектонским поремећајима] су закопавале ове слојеве све дубље, врло често и на велике дубине. Упоредо са потискивањем у дубину, тај материјал је био изложен дејству повишених температура и притисака, што је, временом, довело до измене вегетационог материјала.

Угаљ је горивни седимент. Састоји се претежно од остатака, односно продукта распада биљака, а настао је од тресетишта из далеке прошлости. Процес поугљењивања остварује се постепеним повећавањем релативног садржаја угљеника(Ц) уз истовремено смањивање релативног садржаја кисеоника (О2), азота (Н2), водоника (Х2). Имамо низ сукцесивних претворби: биљни остаци и дрвотресетлигнитмрки угаљкамени угаљ. Тај је процес трајао стотине милиона година.

Данас се угаљ већином налази испод слоја стена и блата па његова експлоатација у првом реду зависи од геолошких услова. У основи разликујемо јамску (подземну) и површинску експлоатацију. Када се слојеви угља налазе на већим дубинама, потребно је изградити подземне ровове ради приступа налазиштима, па се овај начин дефинише као јамска експлоатација. Потребна су значајна средства за отварање рудника, за инфраструктуру, за припремне радове је потребно утрошити и по неколико година. Просечно трајање експлоатације је 30-40 година,за налазиште пречника од отприлике 10-так километара, уз важан услов какав је трајно одржавање производње (обзиром да дужи прекид може довести до урушавања материјала у рударским окнима, и оштећења уредјаја).

5

2.2 Екологија и састав

Угаљ је, као и сви фосилни извори енергије, највећим делом сачињен од угљеника (C) и водоника (H). Унутар угљеника заробљене су и неке нечистоће, као на пример сумпор и жива. Кад угаљ сагорева, те нечистоће отпуштају се у атмосферу.Сагоревање угља има за резултат неколико различитих емисија гасова,честица, и отровних материја које врло негативно утичу на животну средину. Пет основних нуспроизвода који се емитују приликом процеса сагореваја угља, а врло значајних по изразито лошем утицају нa животну средину, привлаче посебну пажњу са аспекта екологије :- сумпор диоксид (SО2)- оксиди азота (Nox)- емисије честица- угљен диоксид (CO2)

2.3 Експлоатација угља

Површинска експлоатација се примењује за слојеве угља близу површине, јер је економичније да се одстрани слој хумуса и стена ,и да се тако додје до угља, него градити читав систем подземних ходника и окна. Карактеристика површинске експлоатације која је значајна и често се наводи је однос јаловине (коју треба одстранити] и количине угља који се може произвести [ у САД, тај однос је најчешће 40: 1).

Угаљ има највећу примену у производњи челика и електричне енергије.Угаљ даје око 24 % укупне примарне енергије у свету (2001 год). са чак 38 % у производњи електричне енергије.Око 64 % укупне светске потрошње угља одлази на “генерисање” електричне енергије.Угаљ је гориво које представља “есенцијални” ,базични, и врло велики “улаз” у индустрији челика [највише за процесе оксидације у пећима], па се сматра, према подацима о потрошњи, да учествује са чак 60 % у светској производњи грубог челика.

Од свих фосилних горива угља има највише а има и најдужу историју употребе. Археолози су пронашли доказе који указују да су Римљани у Енглеској користили угаљ у другом и трећем веку. У Северној Америци Индијанци су у 14. веку користили угаљ за кување, грејање и израду керамике. У 18. веку Енглези су открили да се угаљ спаљује чишће и на већој температури од дрвеног угља. Индустријска револуција била је први прави покретач употребе угља.

2.4 Примена угља

Угаљ има највећу примену у производњи челика и електричне енергије.Угаљ даје око 24% укупне примарне енергије у свету (2001 год). са чак 38 % у производњиелектричне енергије.Око 64 % укупне светске потрошње угља одлази на “генерисање” електричне енергије.Угаљ је гориво које представља “есенцијални” , базични, и врло велики “улаз” у индустрији челика [највише за процесе оксидације у пећима], па се сматра, према подацима о потрошњи, да учествује са чак 60 % у светској производњи грубог челика.

6

3 Нафта3.1 Настанак нафте

Нафта је настала из остатака биљака и животиња које су живеле прије много милиона година у води. Први корак био је пре 300 – 400 милиона година. Тада су се остаци почели таложити на дно океана и с временом их је покрио песак и муљ. Пре 50 - 100 милиона година ти остаци су већ били прекривенивеликим слојем песка и муља који је стварао огромне притиске и високе температуре.У тим приликама настали су сирова нафта и природни гас. Данас бушимо кроз дебеле слојеве песка, муља и стена да би дошли до налазишта нафте.Пре него почне бушење кроз све те слојеве, научници и инжењери проучавању састав стена. Ако састав стена указује на могуће налазиште нафте почиње бушење. Велики проблем приликом бушења и транспорта је могућност истицања нафте у околину. Нове технологије омогућавају повећање прецизности код проналажења нафте, а то резултира мањим бројем потребних бушотина. Од 1990. године на снази је закон да сваки нови изграђени танкер мора имати двоструку љуску да би се спречио излив нафте у море приликом хаварије. Упркос свим побољшањима технологије бушења и транспорта још увијек се догађају изливи нафте у море, а то резултира готово потпуним уништењем биљног и животињског света у том делу мора. Иако је загађење мора истицањем сиров нафте велико, у поредјењу са загађењем ваздуха кориштењем нафтних деривата је занемариво. Приликом сагоревања нафтних деривата ослобађају се велике количине угљен-диоксида (CO2) у атмосферу. Угљен диоксид је стакленични гас и његовим испуштањем у атмосферу утичемо на повећање глобалне температуре на Земљи. Због тог проблема донесен је Kyoto протокол, али га највећи загађивачи још увијек нису потписали.

3.2 Експлоатација налазиштаУ просеку је потребно 5-10 дана за бушотину дубине до 1500м, 60-90 дана за 3500м док за бушотину дубине од 5000м потребно је 100-150 дана. Цена бушења је око 25$ по метру за бушотину до 1000м па до 250$ по метру за бушотине до 5000м. Бушења у мору су двоструко скупља. У укупним инвестицијама око самебушотине само бушење учествује са око 60%.

Буши се у две етапе. Прво иду истражна бушења да се утврде распрострањеност и врсту седимената који садрже угљоводонике. Циљ је одредити економичност експлоатације при чему се рачуна да она траје бар 20-30 година.Постоје три начина вађења нафте:

-Примарно - ако је притисак у налазишту већи од хидростатичког притска нафте у цеви говоримо о еруптивном налазишту. Не требамо додатне уређаје ни енергију заизвлачење нафте на површину. То је најекономичнији начин.-Секундарно - упумпавамо воду или гас те тиме одржавамо притисак у налазиштукако би продужили еруптивно понашање налазишта-Терцијално - убацујемо хемикалије или прегрејану пару па тиме смањујемо вискозитет нафте ради лакшег вађења. Јако скупа призводња.

7

Кад направимо бушотину до дубине у којој се налазе поре с нафтом, те ситне капљице због великог притиска навале у бушотину. То се може упоредити са испуштањем ваздуха из балона. Кад пустимо грло балона ваздух који је у балону под притиском навали ван. Исто тако и нафта под притиском навали кроз бушотину према површини. Због тога се пре догађало да се велике количине нафте разлију око бушотине због неприпремљености. У почетку природни притисак тера нафту ван кроз бушотину, а након тога се нафтне компаније одлучују на пумпање нафте из бушотине. Те две фазе експлоатације називају се примарна производња. Након тога у бушотини се налази још увек око 75% почетне количине нафте. Због тога се нафтне компаније одлучују на преплављивање налазишта нафте водом. Кроз неку другу бушотину пумпају воду у налазиште и тиме "испиру" један део преостале нафте. На тај начин добије се још око 15% почетне количине нафте. На крају у налазишту остане око 60% нафте коју за сад још увијек не знамо испумпати.

3.3 Потрошња, захтеви и цена

-укупна светска потрошња у 21-ом веку би требало да расте по стопи од 1.9% за предвиђени период, од неких 77 милиона барела днавно [2001. година] , па до 121 милион барела дневно , за 2025. Сектор транспорта је највећа компонента у употреби нафте , и очекује се велики пораст у будућности. Значај нафте у другим секторима се може донекле умањити користећи друга горива, нуклеарну и електричну енергију, али се досада јос није нашао алтернативни извор енергије, који би на задовољавајући начин , економски прихватљиво, могао да замени потрошњу нафте у сектору транспорта.- захтеви за нафтом у земљама у развоју су порасли за 0.7 милиона бареладневно [ где Азијске земље у развоју захватају читавих 81%- у бившим совјетским републикама, после великог пораста у 2000. години,првог после више од деценије,нема повећања потражње за 2003. и 2004.годину.- пораст потражње у Латинској Америци бележи само умерени раст.

Убудуће, може се очекивати доста нестабилно понашање, како на тржишту нафте, тако и са аспекта цена, које ће зависити од још непредвидљивих околности везаних за политику, економију , па и природне услове.Тензија на Блиском Истоку, у значајној мери могу утицати на поремећаје нормалног нивоа производње, као и на трговинске токове. Реално, високе цене одвраћају од велике потрошње, и охрабрују маргиналне, али довољно велике изворе нафте и осталих енергената, на повећано учешће. Лимитирајући

8

фактори за дуготрајан раст цена укључују замену нафте другим горивима [природним гасом], маргинални извори нафте постају резерве [утренуцима када цене расту], док се неконвенционални извори нафте сматрајурезервама [ при још вишим ценама.

Ниска цена нафте би обезвредила улагања у овим правцима.- ниска цена нафте се прижељкује једино од стране земаља у развоју, као иземаља у транзицији ( које би у том случају имале мање проблема упокретању производње, решавању буџетских дефицита, подизању укупногстандарда, лакше би спроводили инфраструктурне пројекте и улагања итд. ) .

9

4 Природни гас

4.1 Карактеристика, историја и употреба гаса

Пуно времена се мислило да је природни гас бескористан. Чак се и данас у неким државама решавају тог гаса тако да га спаљују у великим бакљама. Главним деломсачињен је од метана, једноставне везе која се састој од једног атома угљеника и четири атома водоника. Метан је јако запаљив и сагорева готово потпуно.Након сагоревања не остаје пепела, а загађивањ ваздуха је врло мало. Природни гас је безбојан, нема укуса, мириса ни облика у својој природној форми, па је према томе људима неприметан. Због тога им компаније додају хемикалију која има мирис поквареног јаја. Тај мирис омогућава људима лаку детекције пуштања гаса у кући.

Око 1890. године већина градова почела је користити електричну енергију за расвету, па су произвођачи природног гаса почели тражити нова тржишта за свој производ. 1885. године Роберт Бунсен изумио је пламеник који је мешао ваздух с природним гасом. Тај изум омогућио је искоришћавање природног гаса за кување у грејање просторија. Први значајнији гасовод направљен је 1891. године. Био је дуг 120 миља ипреносио је гас из средишње Индијане у Чикаго. Након тога саграђено је врло мало гасовода све до краја другог светског рата. Током другог светског рата дошло је до великог напретка у својствима метала, техникама варења и израђивања цеви, па је изградња гасовода постала економски врло привлачна, а самим тиме и употреба у домаћинствима.

4.2 Вађење природног гаса из земље и мора

У много случајева природни гас је идеално фосилно гориво јер је прилично чист, једноставан за транспорт и комфоран за употребу. Чишћи је од нафте и угља, па се све више спомиње и као решење за постојеће климатске промене и проблеме са лошим квалитетом ваздуха. За разлику од нафте и угља, природни гас има мању емисију угљен диоксида у атмосферу за исту количину енергије. Код вађења природног гаса још увијек постоје лимити због данашње технологије. Природни гас се не налази само у џеповима, него се у много случајева налази с нафтом. Често се и нафта и природни гас извлаче из истог налазишта (слана вода као индикатор налазишта). Као и код производње нафте, део природног гаса самостално излази на површину због великог притиска у дубинама

Често се проток гаса може побољшати тако да се створе ситне пукотине у стени, које служе као стазе за проток гаса. Те пукотине се стварају тако да се у стену под високим притиском пумпа нека течност (нпр. вода) која је разбија. Природни гас се проналази у различитим подземним формацијама. Неке су формације теже и скупље за искоришћавање, али остављају простор запобољшање потребе за гасом у будућности. Након што се природни гас извуче на површину, преко система гасовода се доводи у спремнике, а након тога и до крајњих потрошача..

10

4.3 Највећи произвођачи, извозници и увозници природног гаса

Градња гасовода и постројења омогућила је трговање гасом на велике даљине, тако да се садаполако гас престаје спаљивати на нафтним пољима Блиског истока, те сеукапљује и продаје источној Азији. Источна се Азија, првенствено Јапан,снабдева LNG из југоисточне Азије. Европа се снабдева из Русије и Северне Африке, што гасоводима, а што помоћу LNG технологије.

11

5 Нуклеарно гориво5.1 Нуклеарна енергија

Готово две милијарде људи широм света нема приступ електричној енергији и тај ће се проблем погоршавати растом популације. Глобално ослањање на фосилна горива и велике хидроелектране остаће тренд бар до 2020. године, али то неће бити довољно за задовољавање растућих потреба човечанства.Као једно од могућих решења тог проблема издваја се нуклеарна енергија. У задње три деценије нуклеарна енергија има значајну улогу у производњи електричне енергије. Тренутно помоћу нуклеарне енергије генерирамо око 16% укупно произведене електричне енергије у свету. Јаки пробој нуклеарне енергије може се захвалити њеној чистоћи и незнатном испуштању стакленичних гасова. Добро конструиране нуклеарне електране показале су се поузданима, сигурнима, економски прихватљивим и еколошки доброћудним. До сад се у свету накупило више од 9000 реактор-година рада, па се скупило и потребно искуство у искоришћавању нуклеарне енергије.

5.2 Производња нуклеарне енергије

Нуклеарне електране као гориво користе изотоп урана У-235 који је врло погоданза фисију. У природи се може наћи уран са више од 99% У-238 и свега око 0.7% У-235. Док У-238 апсорбира брзе неутроне, У-235 се у сударима са споримнеутронима распада на врло радиоактивне, фисијске продукте, а при том се ослобађајош брзих неутрона (слика). Успоравањем тих брзих неутрона у сударима смолекулама тешке воде, која се при томе загрева, остварује се ланчана реакција.Ослобођена топлота јесте толико жељена енергија. У нуклеарним реакторима се тајпроцес догађа све време у строго контролираним условима.

Атомска бомба резултат је намерно изазване превелике концентрације слободних неутрона који се тада сударају са фисијски осетљивим атомима и на тај начин остварују неконтролисану експлозију енергије. Иако урана у природи има релативно пуно (сто пута више од сребра) изотопа У-235 има мало. Због тога се спроводи поступак обогаћивања урана. У коначној употребљивој фази, нуклеарно гориво биће у форми таблета дугих око два и по центиметра.Једна таква таблета може дати отприлике исту количину енергије као и једна тона угљена. Енергија која се ослобађа сударањем неутрона са ураном користи се за загријавање воде. Та

12

вода (пара) тада покрече генератор, а након тога треба је расхладити и поново вратити у реактор. За то је потребан сталан и велики проток воде око језгре реактора. На пример нуклеарна електрана Кршко у Словенији користи реку Саву за хлађење.

5.3 Утицај на околину и отпремање радиоактивног отпада

Као и сви процеси производње енергије из необновљивих извора и нуклеарнеелектране производе отпад. Код њих је то радиоактивни отпад и врућа вода.Будући да нуклеарне електране не производе угљен-диоксид (CО2), њиховомупотребом се не повећава ефект стаклене баште. Радиоактивни отпад дели се надве основне категорије: ниско-радиоактивни и високо-радиоактивни отпад.Већина нуклеарног отпада је ниско радиоактивни отпад. То су: обично смеће,алати, заштитна одјела и остало. Тај се отпад контаминирао са малом нивоомрадиоактивног праха или честица, а мора се чувати на начин да не дође уконтакт са предметима ван. Прави проблем код нуклеарних електрана је остатак искоришћеног горива који је високо-радиоактивни отпад и мора се складиштити у специјалним базенима (вода хлади нуклеарно гориво и понаша се као штит од радијације) или у сувим контејнерима. Старије и мање радиоактивно гориво складишти се у сувим складиштима. Тамо се затвара у специјалне бетонске армиране контејнере.

6 Геотермална енергија6.1 Појам

Појам геотермална енергија односи се на коришћење топлоте Земљине унутрашности која у самом средишту износи 4000-7000° што је приближно температури површине Сунца.

6.2 Експлоатација

Најпрактичнија за експлоатацију геотермалне енергије су подручја где се врела маса налази близу површине земље. На многим таквим локацијама у свету већ постоје постројења-измењивачи топлоте која на тај начин загрејану воду користе за грејање или у индустријске сврхе.

Човек је од најстаријих времена користио топле изворе и на њима градио велика купатила. Први јавни систем грејања који је користио топле изворе саграђен је 1892. године у држави Ајдахо у Сједињеним

13

Америчким Државама. док је прва геотермална електрана саграђена 1904. у Италији.

Структура Земљине унутрашњости је таква да темепратура у зависности од структуре слојева расте од 10 до 30°Ц на сваких километар ближи језгру. Скоро непромењива температура слоја Земљине коре може се у великом обиму искористити за индиректно грејање или хлађење стамбених и пословних објеката. Током зиме када је тло топлије од грађевина на површини систем-измењивач преко цеви са водом преноси топлоту тла на зграде док лети када је тло хладније од површине ради супротно. Исти систем тако служи и за грејање

6.3 Принцип коришћења геотермалне енергије

Економски и енергетски најефикаснији систем за грејање и хлађење простора. Топлотна енергија може да се узме из подземних вода које су на температури од око 14°Ц током ћеле године. Из избушеног бунара вода се препумпава у размењивач топлоте у коме се део топлоте из подземне воде преноси у фреон који тада испарава. Такав склоп (пумпа+топлотни измењивач) назива се топлотна пумпа. Делимично охлађена вода враћа се у други бунар који је исте дубине као и први тако да се токови подземних вода не ремете. Фреон који је сада у гасовитом стању сабија се компресором и тада отпушта латентну пренету топлоту и предаје је води која циркулише кроз кондензатор и ситем радијаторског и/или подног система цеви у згради. Предности оваквог система за грејање и хлађење су следеће: - Преко 70 % енергије потребне за грејање простора добија се из подземне воде бесплатно у току целог века експлоатације топлотне пумпе.

14

Литература

http://www.izvorienergije.com/neobnovljivi_izvori_energije.html

15