SEMINARSKI RAD

Predmet:

OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE

Tema:

HIDROENERGIJA

Student: Aleksandar Gaković Predavač: prof. dr. Esad JakupovićBr. Indexa: 09-11/RPI

Banja Luka, april 2013.

Obnovljivi izvori energije

Sadržaj: Strana:

UVOD 2

HIDROENERGIJA KROZ ISTORIJU 3

HIDROENERGIJA DANAS 4

VELIKE HIDROELEKTRANE 9

DRŽAVE S NAJVEĆOM PROIZVODNJOM HIDRO-ELEKTRIČNE ENERGIJE 11

ZAKLJUČAK 13

LITERATURA 14

Aleksandar Gaković 1

Obnovljivi izvori energije

UVOD

Hidroenergija odnosno energija vode je jedan od najznačajnijih obnovljivih izvoraenergije prevenstveno zbog svoje konkurentnosti sa fosilnim gorivima i nuklearnojenergiji. Sunčeva energija dopire do Zemljine površine izazivajući isparavanje vode, zemljišta i biljaka, čime se uzrokuje podizanje vode: posljedica je energija položaja vode (potencijalna) i energija kretanja vode (kinetička).

Energija položaja vode je početni oblik energije vode u prirodi koji se može iskoristiti u tehničkim sistemima za pretvaranje. Termin hidroenergija je najčešće ograničen stvaranjem snage dobijene na osovini, usljed pada vode. Tada se ta snaga koristi direktno za mehaničke svrhe ili veoma često za proizvodnju električne energije.

Drugi izvori vodene snage su talasi i plima i oseka. Osnovni način upotrebe je: pretvaranje energije položaja vode (potencijalna u akumulacijama) i kinetičke energije vode (protočne) u mehaničku energiju proticanjem kroz vodene turbine, a zatim najčešće u električnu u generatorima. Proizvedena mehanička energija pokreće generator koji je povezan sa osovinom turbine. Snaga dobijena na ovaj način je data:

Snaga = W.Q.H.η wati

gdje je:W= specifična težina vode, N/m3Q= stopa protoka vode, m3/sekH= visina pada, mtrΗ = efikasnost pretvaranja potencijalne energije u mehaničku

 

Aleksandar Gaković 2

Obnovljivi izvori energije

HIDROENERGIJA KROZ ISTORIJU

Voda je najrasprostranjenija tvar u prirodi, najvitalniji izvor za čovječanstvo i osnovni uslov za opstanak svih živih bića na planeti. Ljudsko tijelo može da izdrži nekoliko sedmica bez hrane ali bez vode može samo nekoliko dana. Poznato je da je oko tri četvrtine površine na Zemlji prekriveno vodom i procjenjuje se da je ukupna količina vode na zemaljskoj kugli oko 1,4 milijarde km3 (1,4 x 1021 litara).

I pored ove količine vode koja se nalazi na zemaljskoj kugli, voda koja je dostupna za ljudsku upotrebu je veoma ograničena, odnostno svježa voda predstavlja manje od 2,5% od ukupne količine vode na zemaljskoj kugli, dok se skoro 80% nalazi zaleđeno na polovima. Prema ovome samo 0,5% svježe vode na planeti se može koristiti za ljudsku upotrebu.

Otkako je čovjek počeo da bilježi svoju istoriju, vodu koristi kao izvor energije. U poređenju sa fosilnim gorivima čije su rezerve ograničene, rezerve vode za proizvodnju električne energije se ne iscrpljuju. Svaki vodeni tok je nosilac određene količine energije. Prvi put se iskorištavanje energije vode spominje čak prije 2000 godina u staroj Grčkoj i Egiptu, gdje su vodeni točkovi bili povezani sa mlinskim kamenom da bi samljeli žito. Kasnije ti isti vodeni točkovi su bili povezani sa osnovnom opremom kao što su strug, testere i razboj da bi se proizvodio namještaj i tkanine.

Za vrijeme industrijske revolucije krajem 1800 godine, Majkl Faradej je izumio Faradejev dinamo, preteču modernog generatora.Konstruisanjem Faradejevog dinama u praktičan uređaj 1870. godine i prva komercijalna proizvodnja električne sijalice 1880. godine, uticali su na stvaranje ideje o korištenju vodene snage za proizvodnju električne energije i započinje postavljanje mnogo malih generatora duž vodeničnih jazova. Na taj način proizvedena energija se koristila u za obezbjeđenje električne energije umlinovima i za proizvodnju tekstila u lokalnim zajednicama.

Vodena snaga je otvorila novu eru 1876. godine, kada je u Bavarskoj izgrađena prva hidroelektrana na svijetu a služila je za snabdijevanje električnom energijom dvorac velikaša, koji se nalazio u blizini.

U SAD prva komercijalna hidroelektrana je počela sa radom 1882. godine na rijeci Fox River. Izlazna snaga te hidroelektrane je iznosila 12 kW, što je bilo dovoljno da se obezbijedi svjetlo za 250 sijalica. Prvu pravu hidroelektranu je izgradio Amerikanac Forbes na Nijagarinim vodopadima, i ona je puštena u pogon 1895. godine ali je grad Buffalo električnu energiju iz te elektrane dobio

Aleksandar Gaković 3

Obnovljivi izvori energije

početkom 1896. godine kada je izgrađen dalekovod. Korištenje hidroenergetskog potencijala u BiH počinje 1899. godine kada je izgrađena prva hidroelektrana “Elektrobosna” na rijeci Plivi snage 7MW, tada najveća u Evropi. Korištenje hidroenergije ima svoja ograničenja tj. hidroenergija se ne može koristiti jednakim intenzitetom cijele godine. Kako bi se regulisali vodostaji rijeka i osigurala dovoljna količina vode tokom cijele godine, grade se velike brane i akumulaciona jezera

HIDROENERGIJA DANAS

Hidroenergija ima sve prednosti obnovljivih izvora energije, jer je neograničena, čista i jeftina gledajući dugoročno. Kapaciteti mogu biti jako veliki, pa samim tim ivrlo isplativi. Inicijalne investicije jesu velike, ako se uzme i proces akumulacije vode, ali ipak izgradnja je do 50% jeftinija od ozgradnje nuklearne elektrane i termoelektrane na ugalj ili druga pogonska goriva, a pored toga se ne uključuje kupovina pogonskih goriva. Takođe i cijena održavanja je mnogo manja, jer nisu potrebni skupi filteri, cesti remonti, kao ni odlagaliste otpada.

Pored toga, tehnologija je vrlo provjerena i pouzdana, te jako fleksibilna, jer je moguće jako brzo promjeniti protok vode te samim tim generisati energiju. Pored porizvodnje vode, branama se kontroliše i nivo rijeka, umanjuje se višak tokom sezone poplava i povećava nivo tokom suša.

Međutim, velike brane i hidrocentrale imaju i neke nedostatke. Prije svega utiču na izgled predjela u kome e nalaze, pa i na sam ekosistem, jer veliki dio terena mora biti potopljen da bi se stvorili uslovi za akumulaciju vode. Samim tim mjenja se brzina, tok i temperatura rijeka, sto dalje prouzrokuje smetnje kod migracije riba, te mjenjaju ekosisteme uz samu rijeku. Konačno mjenjaju protok riječnog taloga, uzvodno u jezeru gdje dolazi do taloženja, dok je nizvodno vodotok osiromašen.

Osnovne komponente hidroelektrane su: vodotok, zahvat vode za HE, napojni cjevovod HE, strojarnica, ispustni cjevovod, priključak za izlaz električne energije.

Trenutno je u upotrebi ili razvoju više oblika korištenja energije vode. Neki oblici su isključivo mehanički, no većina je okrenuta pretvaranju energije vode u električnu energiju. Među širim područjima su:

Vodenice, koje se koriste već vjekovima za pogon mlinova i ostalih strojeva;

Aleksandar Gaković 4

Obnovljivi izvori energije

Električna energija dobivena iz vode: što se uobičajeno odnosi na vodene brane ili postave uz rijeke (npr. vodenice čiji se pogon temelji na hidraulici);

Energija vodenih tokova, koja se dobija iz kinetičke energije rijeka, potoka i okeana;

Vrtložna energija, koja se dobiva iz vrtloga; Energija plime i oseke; Energija dobijena iz protoka uzrokovanih plimnim mijenama; Energija valova; Osmotska energija, odnosno energija gradijenta saliniteta, pomoću koje se

energija dobiva iz razlike u koncentraciji soli između morske i riječne vode;

Energija morskih struja; Energija dobivena iz razlike temperature oceana na različitim dubinama.

Energija vodenih tokova (hidroenergija) je danas izvor 715 000 MW, odnosno 19% električne energije proizvedene u svijetu. Velike brane se još uvijek projektuju. Trenutno najveća hidroelektrana na svijetu, Hidroelektrana Tri klanca, izgrađena je u Kini, na najdužoj svjetskoj rijeci, rijeci Yangtze. Osim u nekolicini zemalja koje imaju energije vode dovoljno za pokrivanje većine potreba za električnom energijom, hidroelektrane uobičajeno pokrivaju površne potrebe za električnom energijom zahvaljujući mogućnosti brzog upuštanja u pogon. Također, hidropotencijal se može koristiti kao veliki spremnik jeftine energije ukoliko se pri suvišnoj proizvodnji hidrogenerator koristi kao pumpa (reverzibilne hidroelektrane).

Hidroenergija u osnovi ne stvara emisiju ugljen-dioksida CO2 ni ostale štetne tvari, za razliku od izgaranja fosilnih goriva, te stoga nije značajni činilac globalnog zatopljenja usljed štetnih emisija CO2. Područja s obiljem hidropotencijala privlače indrustriju. No, pretjerana briga za okoliš može biti prepreka razvoju hidroenergetike.

Glavna prednost hidroelektrana je njhova sposobnost da pokriju sezonsku i dnevnu površnu potražnju za električnom energijom. Kada se smanji potražnja, brana jednostavno pohranjuje više vode, koja onda daje snažniji tok. Neke hidrocentrale koriste brane za pohranu viška energije (često noću) tako da hidrogenerator koriste kao pumpu koja vodu vraća u akumulaciju. Električna se energija može opet generisati u slučaju porasta potražnje. U praksi se korištenje spremljene vode komplikuje zbog potreba za navodnjavanjem, koje se mogu javiti istovremeno kad i vršna električna opterećenja. Ne zahtijevaju sve hidroelektrane branu: neke koriste protok samo dijela toka rijeke, što je karakteristika manjih hidroelektrana.

Aleksandar Gaković 5

Obnovljivi izvori energije

Slika 1.Hidroelektrana Tri Klanca

Energija plime i oseke

Iskorištavanje energije plime i oseke u zalivu ili estuariju postoji u Francuskoj (od 1966.), u Kanadi i Rusiji, a moglo bi se proširiti i na ostale lokacije gdje je velika promjena razine mora u vrijeme plime i oseke. "Zarobljena" voda propušta se kroz plimnu branu u oba smjera i pokreće turbine. Ovakvi sistemi efikasno generišu električnu energiju u kratkim ciklusima svakih 6 sati (prilikom svake mijene). Ovo ograničava primjenu energije plime i oseke: ova je energija vrlo predvidljiva, no ne može zadovoljiti brzo mijenjajuće potrebe.

Energija strujanja plime i oseke

Riječ je o relativno novoj tehnologiji koja energiju crpi iz strujanja vode koje se stvara pri morskim mijenama. Princip rada je sličan onome kod vjetrogeneratora. Što je veća gustina vode, generator može proizvesti veću snagu. Ova je tehnologija u ranom stadiju razvoja i zahtijeva još istraživanja prije nego postane značajniji sudionik u snadbjevanju električnom energijom, no neki prototipi već daju obećavajuće rezultate.

Aleksandar Gaković 6

Obnovljivi izvori energije

Energija morskih valova

Iskorištavanje površinskih oceanskih valova daje znatno više energije od plimnih kretanja. U Škotskoj i Ujedinjenom Kraljevstvu istražena ja izvedivost toga. Generatori su pričvršćeni na plutajuće platforme, a prolaskom vode kroz šuplje betonske konstrukcije proizvode električnu energiju. Brojne tehničke poteškoće usporile su napredak.

Prototip generatora iz energije valova konstruiše se u Port Kembla u Australiji i očekuje se da bi mogao proizvesti energiju od 500 MWh godišnje. Pretvarač energije valova konstruisan je u septembru 2005. i početni su rezultati nadmašili očekivanja za vrijeme valova male energije. Energija vala obuhvata se pomoću generatora pogonjenog vazduhom i pretvara u električnu. Za države s dugačkom obalom izloženom snažnijim valovima, energija valova omogućuje generisanje električne energije dovoljne za potrebe potrošača.

Aleksandar Gaković 7

Slika 2. Plutajuća elektrana Palamis

Obnovljivi izvori energije

MALE HIDROELEKTRANE

Kada govorimo o ekološki prihvatljivim hidroelektranama onda se u obzir uzimaju samo one koje neće narušiti postojeći eko sistem u njenom okruženju. Pod pojmom male hidroelektrane (u našoj zemlji) podrazumijeva se hidrocentrala čija nazivna snaga ne prelazi 5 MW. Dijele se u dvije osnovne grupe i to protočne i derivacijske. Protočna je ona HE kod koje se strojarnica i turbina nalaze neposredno na ili uz vodotok te tako direktno koriste postojeću kinetičku energiju vodotoka, derivacijska je ona koja ima vodozahvat te se cjevovodom voda vodi do strojarnice sa turbinom, koji su smješteni na znatno nižem terenu nego sam zahvat, i time se dobije dodatna kinetička energija (na račun potencijalne).

Druga podjela su tzv. Elektrane sa i bez akumulacije. Elektrane sa akumulacijom (vještačko jezero) imaju brane koje obezbjeđuju kontinuiran rad za određeni period bez obzira na količinu dotoka vode u akumulaciju, što ih sa ekonomskog aspekta čini boljim. Posebna vrsta derivacijske HE je tzv. reverzibilna HE. Ova vrsta HE ne ovisi o vodotoku nego se radi dvostruka akumulacija. U vrijeme špice potrošnje el. energije iz akumulacije koja se nalazi na većoj nadmorskoj visini se pušta voda u akumulaciju niže nadmorske visine kroz turbinu i tako proizvodi el. energiju, dok se u vrijeme izvan ove špice ta ista voda vraća pumpama nazad. Brane bez akumulacije se smatraju samo one koje ili imaju samo zahvat ili je njihova ustava sa tako malom akumulacijom da ne utiče na okolni biljni i životinjski svijet. Stalnost količine proizvodnje je upitna ali su sa ekološkog aspekta prihvatljivije.

Vrste turbina i generatora kod malih HE

U malim hidroelektranama se koriste dvije osnovne grupe turbina prema dejstvu na radno kolo rotora i to:

akcione (impulsne) rotor nije potopljen u struji vode te se kod njih koristi samo brzina vode. Prema varijanti konstrukcije najčešće se koriste tzv. Kaplanova, Fransisova i Propelorova turbina,

reakcione koriste i energiju brzine ali i pritiska vode češće su u upotrebi te prema načinu odvođenja i dovođenja vode u turbinu mogu biti: aksijalne, radijalne i dijagonalne a najpoznatije konstrukcije su tzv. Peltonova, Turgo i Crosflow turbina.

Generatori koji se koriste u malim hidroelektranama mogu biti sinhroni i indukcioni (asinhroni).

Aleksandar Gaković 8

Obnovljivi izvori energije

VELIKE HIDROELEKTRANE

Tri klanca (Kina)

Hidroelektrana Tri klanca, najveća hidroelektrana svijeta 2009. je puštena u pogon. Tih 26 divovskih turbina proizvoditi će 85 milijardi kilovatsati struje godišnje (približno 18 osrednjih nuklearki), te će time biti zadovoljeno deset posto kineskih potreba. Obuzdat će se treća najduža rijeka svijeta (iza Amazone i Nila) i smanjiti katastrofalne poplave u kojima je samo u 20. stoljeću stradalo više od pola milijuna ljudi. Visina brane bit će visoka 185 i duga 2309 metara, na vrhu široka 18 metara, a uz dno 124 metra. Nastat će jezero dugo više od 600 kilometara. Povećat će se plovnost Yangtzea, čista hidroenergija smanjit će upotrebu najprljavijeg fosilnog goriva, ugljena, kojim se truju šume i stanovništvo ne samo u Kini nego i u susjednim državama, olakšat će se slanje vode s juga na sušni srednji i sjeverni dio Kine. Poplavljeno 29 miliona kvadratnih metara zemlje, dva velika i 116 manjih gradova su se potopila, raseljeno je više od milion stanovnika. U umjetnom jezeru završit će sva prljavština potopljenih gradova, tvornica i bolnica. Više od tri hiljade industrijskih i rudarskih preduzeća .

Itaipu (Brazil/Paragvaj)

Itaipu je hidroelektrana na rijeci Parana na granici Brazila i Paragvaja. Riječ Itaipu na jeziku lokalnog naroda Gvarani znači „kamenje koje pjeva“. Hidroelektrana Itaipu je najveća hidroelektrana na svijetu. To je zajednički poduhvat Brazila i Paragvaja na rijeci Parana, oko 15 kilometara sjeverno od „Mosta prijateljstva“. Instalirana snaga hidroelektraneje 14 GW, sa 20 generatora od po 700 MW. Rekord u proizvodnji struje je postignut 2000. kada je proizvedeno 93,4 milijarde kilovat-sati energije (93% ukupne potrošnje u Paragvaju i 20% ukupne potrošnje u Brazilu). Sporazum o izgradnji brane i hidroelektrane je zaključen 1973. Umjetno jezero je formirano 1982. Prvi generatori s radom su počeli 1984., a posljednji u 2006. i u 2007. Ukupno ih sada ima 20. Time je instalirani kapacitet podignut na 14.000 MW. Po međudržavnom ugovoru, nije dozvoljeno puštati u rad više od 18 turbina istovremeno. Američko udruženje građevinskih inženjera je 1994. proglasilo branu Itaipu za jedno od Sedam čuda modernog svijeta.

Aleksandar Gaković 9

Obnovljivi izvori energije

Statistika:- Za izgradnju brane upotrebljeno je 50 miliona tona zemlje i kamena- Od betona upotrebljenog za izradu brane bilo bi moguće izgraditi

210 fudbalskih stadiona veličine Marakane u Brazilu.- Od čelika upotrebljenog za izgradnju, moglo bi se napraviti 380

Eiffelovih tornjeva.- Iskopana količina zemlje u ovom projektu je 8,53 puta veća od one

iskopane pri gradnji Eurotunela.- Na izgradnji je radilo oko 40.000 ljudi.

Dužina brane je 7234,5 metara, a maksimalna 225 metara.Maksimalni protok je 62,2 tisuće kubnih metara vode u sekundi

Hooverova brana (SAD) 

Sedamdeset i pet godina je prošlo otkako je izgrađena; nije više najviša, nije najveća i nije najsnažnija (u smislu energije koju daje njena elektrana); to su danas druge, u svijetu i u Sjedinjenim Državama, ali i ona sama još uvijek je “strašna”, nakon svih ovih godina. Hooverova brana, u Crnom kanjonu – Black Canyon, na granici između Nevade i Arizone, oko 50 km jugoistočno od Las Vegasa. Hidroelektrana ispod Hooverove brane nije više najveća, ni u svijetu ni u Americi, ali sa svojih 17 generatora, proizvodi još uvijek energije koju bi, općenito govoreći, dale dvije nuklearne elektrane – oko 2.078 MW. Akumulacijsko jezero Lake Mead najveće je umjetno jezero u Sjedinjenim Državama, dugo 177 km, najveće dubine 152 m, kapaciteta 35,200.000.000 kubnih metara – ekvivalent dvogodišnjeg prosječnog protoka čitave rijeke Colorado. Ove godine, nažalost, razina vode u jezeru Mead najniži je u 39 godina i južnoj Nevadi prijeti izvanredno stanje – rijeka Colorado, odnosno jezero Mead snabdjeva Las Vegas sa 90 % vode, ali količina vode koju akumulacijsko jezero može primiti dovoljna je da preplavi državu veličine Pennsylvanije, stopu duboko.

Aleksandar Gaković 10

Obnovljivi izvori energije

DRŽAVE S NAJVEĆOM PROIZVODNJOM HIDRO-ELEKTRIČNE ENERGIJE

Kada se posmatra količina hidro-energije, tj. električne energije proizvedene u hidroelektranama, prilikom nekog perioda, valja razlikovati dva pojma. Nominalnu snagu koju ta hidroelektrana može ostvariti kada bi cijeli promatrani period radila punim kapacitetom, te stvarnu proizvedenu snagu u promatranom periodu. Omjer godišnje, stvarno proizvedene, snage te instalirane snage je faktor kapacitivnosti. Instalirana snaga je zbir svih generatora neke države kada bi radili pri nominalnoj snazi cijele godine.

U tabeli se nalaze podaci o godišnjoj proizvodnji električne energije koju je objavio BP Statistical Review –Full Report 2009:

Aleksandar Gaković 11

Slika 3. Brana Hoover

Obnovljivi izvori energije

DržavaGodišnja proizvodnja

hidro-električne energije (TWh)

Instalirana snaga (GW)

Faktor kapacitivnosti

Postotak od ukupne proizvodnje el. energ.

Kina 585.2 171.52 0.37 17.18

Kanada 369.5 88.974 0.59 61.12

Brazil 363.8 69.080 0.56 85.56

SAD 250.6 79.511 0.42 5.74

Rusija 167.0 45.000 0.42 17.64

Norveška 140.5 27.528 0.49 98.25

Indija 115.6 33.600 0.43 15.80

Venecuela 86.8 - - 67.17

Japan 69.2 27.229 0.37 7.21

Švedska 65.5 16.209 0.46 44.34

Paragvaj 64.0 - - -

Francuska 64.4 25.335 0.25 11.23

Aleksandar Gaković 12

Obnovljivi izvori energije

ZAKLJUČAK

Električna energija predstavlja jedan od najčišćih oblika energije. Mogućnosti dobivanja električne energije su raznovrsni. Najprihvatljiviji su načini dobivanja iz obnovljivih izvora energije, kao što su hidroelektrane, vjetroelektrane te solarne elektrane. Od obnovljivih izvora energije hidroelektrane su najraširenije. Njihov udio među obnovljivim izvorima energije je oko 88% (podatak za 2005. godinu). To je posljedica više činilaca. Za razliku od vjetra ili sunca, čiji intenzitet je nepredvidljiv te ovisi o meteorološkim prilikama, voda, odnosno njen zapreminski protok, je puno stabilniji i stalniji tokom godine. To znači da je i opskrbljivanje električnom energijom pouzdanije. Takođe, vrlo zanimljiva skupina hidroelektrana su reverzibilne hidroelektrane, koje omogućavaju dva režima rada, te kao takve su vrlo isplative i poželjne za izgradnju. Procjenjuje se da je 2005. godine 20% ukupne svjetske potrošnje električne energije bilo opskrbljeno upravo energijom iz hidroelektrana, što je približno 816 GW.

Aleksandar Gaković 13

Obnovljivi izvori energije

LITERATURA

1) http://sh.wikipedia.org/wiki/Hidroelektrana 2) http://sh.wikipedia.org/wiki/Hidroenergija 3) http://sh.wikipedia.org/wiki/Male_hidroelektrane 4) http://energis.ba/?lang=bh&n1=3&n2=17&n3=0&c=16 5) http://www.izvorienergije.com/energija_vode.html

Aleksandar Gaković 14