1. osnovi energetike - telekomunikacije | Само још ... · iz pojma energija se izvodi pojam...

1. OSNOVI ENERGETIKE

Energija je sine qua non moderne proizvodnje i egzistencije čoveka.

Cilj -- zadatak u ovoj glavi je da se iz celokupnog okruženja čoveka kvalitativno anticipira jedan važan aspekt ljudskog savremenog življenja. Taj aspekt je ENERGIJA. U okviru energije uopšte, anticipiraće se ELEKTRIČNA ENERGIJA i odrediti njeno mesto u ljudskom življenju. Ovaj zadatak je obrañen u sledećim paragrafima:

1.1 Čovek i energija 1.2 Oblici energije i njene transformacije 1.3 Energija industrijskog društva 1.4 Energetske rezerve u svetu i Jugoslaviji 1.5 Nedostaci prirodnih oblika energije -- smisao električne energije 1.6 Merne jedinice za energiju (snagu) 1.7 Rezime prve glave

1.1 Čovek i energija

Čovek predstavlja organizam opskrbljen razumom; ima moć stvaranja iskustva i njegovog korišćenja prilikom delovanja. (Kant: "Razum je pretvaranje čulnih utisaka u predmete iskustva, pojmove, sudove...").1 Energija je jedan od onih bazičnih pojmova koje pre treba razumeti nego definisati. Sama reč je grčkog porekla. Ona se danas tumači kao rad, delo, delovanje, sila. Evo nekoliko mišljenja o energiji:

• Dve ključne osobine materije su masa i energija; • "Materija nije ništa drugo do prostorno grupisanje različitih vrsta energije";2 • Energija je sposobnost za vršenje rada (za delovanje); • Energija je realizacija sile. • Energija je sine qua non (ono bez čega se ne može) moderne proizvodnje i

egzistencije čoveka; • Energija je zajednički imenitelj svih industrijskih sektora, usluga i porodičnog života;

Sa šest gore navedenih mišljenja samo se kvalitativno ukazuje na smisao pojma energija. Na kvantitativnoj definiciji tog pojma utrošeno je mnogo svetskog naučnog intelekta. Ovde se, koristeći se samo intuitivno prihvatljivim pojmovima ("režim", "sistem", "okolina sistema"), daje uvid u jednu prilično preciznu kvantitativnu definiciju pojma energija3:

1V.Filipović: Filozofijski rječnik; Nakladni zavod matice Hrvatske, Zagreb, 1989. 2Ibid. 3 D.P.Sekulić: Deskriptivna semantika termodinamike, Fakultet tehničkih nauka -- Novi Sad, izlazi iz štampe 1996/97.

1. OSNOVI ENERGETIKE 4

• Kvantitativno odredljiva osobina sistema, preko koje se, prilikom prelaska sistema iz jednog u drugi režim, kvantitativno može odrediti delovanje okoline na sistem, i to tako da to odreñivanje ne zavisi niti od puta kojom je sistem prešao iz jednog u drugi režim, niti od hronologije tih režima, naziva se energijom.

Radi kasnijeg poziva na refleksije ove definicije, sada se akcentira to da vrednosti energija dva režima jednog sistema mogu da se stave u istu relaciju s vrednošću delovanja okoline, nezavisno od toga: 1 -- kojim je putem i 2 -- u kom je smeru sistem prelazio izmeñu ta dva režima. Dakle, promena veličine tako definisane energije ne ukazuje niti na put, niti na smer zbivanja u razmatranom sistemu. Ova definicija nije opisana s ciljem da se dublje pronikne u suštinu energije, već prevashodno da se ukaže na prilične teškoće s kojima se treba suočiti radi preciznog, kvantitativnog definisanja onih bazičnih pojmova kakvi su pojmovi "čovek", "prostor", "vreme", "broj", "temperatura" itd., pa i, naravno, pojma energija.

Radi sagledavanja povezanosti sile i energije, navode se sledeće misli o sili:

• Aristotel: "Sila je uzrok kretanja i promene". Ova se misao može iskazati na sledeći način: 1 -- sila uzrokuje kretanje cele mase (padanje tela = mehanička energija); 2 -- kretanje molekula (predaja toplote s jednog tela na drugo); 3 -- kretanje atoma (telo koje gori -- spajanje njegovih atoma s atomima kiseonika).

• Newton: "Sila je veličina koja telu odreñene mase saopštava ubrzanje." 4 • Sila je sposobnost delovanja.

Dakle, za energiju se može vezati sledeća trijada pojmova: DELOVANJE, SILA, ENERGIJA. Smisao trijade, odnosno tesne veze pojmova u njoj može se sagledati na primeru gravitacije. Na svaku masu, koja se nalazi u gravitacionom polju deluje to polje. Odnosno na tu masu deluje gravitaciona sila. Ako se dopusti telu da se kreće pod dejstvom pomenute sile, ta sila vrši rad, odnosno realizuje se energija. Iz pojma energija se izvodi pojam energetika, koji definitivno vodi ka pojmu elektroenergetika čiji se osnovi izučavaju u ovoj knjizi. Unutar energetike izučava se energija, naročito pretvaranje (transformacija, prenos) jednog oblika u drugi oblik energije. Pri tom se posebno insistira na transformaciji (pretvaranju, prenosu) oblika energije kao suštinskom momentu kada se čovek okorišćava. Transformacija jednog u drugi oblik energije je potkategorija opšte kategorije zbivanja (dogañanja, dešavanja). Sva zbivanja se danas zasnivaju na pretpostavci o svemiru kao izolovanom sistemu, sistemu koji ne utiče izvan sebe, niti prima spoljne uticaje. Na bazi te pretpostavke, formulisana je opšta teorija o (bilo kom) zbivanju u svemiru -- prirodi. Ona kaže da se svako zbivanje zasniva saglasno sa sledeća dva principa (prvi i drugi zakon termodinamike, respektivno):

1. Princip održanja energije svih tela koja učestvuju u zbivanju; 2. Princip povećanja (težnje ka povećanju) entropije tela koje učestvuje u zbivanju.

Sada je prilika da se ponovo ukaže na gore opisanu kvantitativnu definiciju energije. Naime, iz nje se naslućuje da se energijom naziva "ono" što podleže prvom zakonu termodinamike. Taj zakon iskazan u suštinskom obliku, govori o nužnosti da se osobina definisana kao energija može pridružiti svakom sistemu, čak i onom koji je u "apsolutnom miru" kada je prepušten samom sebi (bez uticaja okoline).

4Primetiti razliku izmeñu Aristotelovog i Newton-ovog mišljenja u vezi s uzrokom kretanja.

5 OSNOVI ELEKTROENERGETIKE

Ono što ta definicija i gore navedeni prvi princip (prvi zakon termodinamike) ne govore, to je "smer dogañanja". A taj smer odreñuje gore navedeni drugi princip (drugi zakon termodinamike). On predstavlja zajednički imenitelj svih onih prirodnih dogañaja za koje u ljudskom iskustvu nije uočen ni jedan izuzetak. Jedan takav dogañaj je sledeći: telo na odreñenoj visini od zemlje svoju energiju će promeniti za istu vrednost bilo da se pomeri prema zemlji ili od zemlje, za isto, dovoljno malo rastojanje (da se sila teže ne promeni -- to govori prvi princip, ali da će telo, prepušteno samom sebi, uvek krenuti ka zemlji, to govori tek drugi princip. Iliti pak, nije do sada nikad uočeno da se razbijena čaša na podu spontano sastavi u celu čašu na stolu, već samo obrnuto. Kada tela spontano krenu nasuprot zemljine teže, odnosno kada se čaše na podu počnu spontano integrisati prema stolu, tada će se svi principi ovoga sveta morati menjati. Početak takvih promena bila bi "konstrukcija perpetuum mobile-a". Entropija predstavlja "energiju" koja se dalje ne može transformisati (prenositi) u druge oblike5. (Ne može se samo na račun hlañenja jednog tela, grejati drugo -- toplije telo.) Ili, u terminima termodinamike, entropija je funkcija stanja koja karakteriše smer proticanja spontanih procesa u izolovanom termodinamičkom sistemu6. (Iliti, dosta slobodnije: "U svakom zatvorenom sistemu uvek dolazi do povećanja nereda ili entropije. Drugim rečima, po sredi je vid poznatog Marfijevog zakona -- stvari uvek teže da se pogoršaju."7) Pojmovi zbivanja i entropije mogu se demonstrirati na promenama koje nastaju u kugli tretiranoj kao zatvoren sistem -- slika 1.1. Kugla se sastoji od dva jednaka dela: leva (L) i desna polukugla (D). One se nalaze u početnom stanju "o" -- slika 1.1a. Uz nju su date relacije izmeñu energija (Q) i temperatura polukugli (t). Subskriptom "u" je označena toplota sadržana u obe polukugle -- u celoj kugli. Ono što jeste poznato za razmatranu kuglu, tj. ono što se može izračunati koristeći se zakonima termodinamike s kojima se raspolaže, to su sledeće činjenice:

1. Kugla će izaći iz svog početnog stanja "o"; 2. Kugla će ući u svoje terminalno stanje "1" -- slika 1.1b. U tom stanju će se energije i

temperature obe polukugle izjednačiti.

Dakle, u razmatranjima koja slede neće se izvoditi ove činjenice. Od interesa je samo njihova zasnovanost na napred pomenuta dva principa. Na osnovu Prvog principa (princip održanja energije svih tela koja učestvuju u zbivanju) očigledno je da će ukupna energija kugle u oba stanja biti ista:

Q Q Q Q Q Q Qu L D u L D uo o o( ) ( ) .= + = = + =1 1 1

(1.1)

Ali, Prvi princip nužno ne implicira nikakvo dogañanje, pa saglasno s njim nije nužno da se išta desi s razmatranom kuglom. Dakle, ona bi mogla ostati i u početnom stanju. Štaviše, moglo bi se desiti da se energija leve polukugle poveća na račun desne polukugle.

Tek Drugi princip (princip o povećanju entropije tela koja učestvuju u zbivanju) govori o smeru dogañanja, a taj smer upravo je poznati prelaz dela energije s leve na desnu polukuglu (prva od navedenih činjenica), sve do izjednačenja energija obe polukugle:

5V.Filipović: Filozofijski rječnik; Nakladni zavod matice Hrvatske, Zagreb, 1989. 6Enciklopedijski leksikon -- Mozaik znanja, Tom 21 -- Fizika, Interpres, Beograd, 1972. 7S.Hawking: A Brief History of Time; (prevod na srpski); Polaris, str. 179, Beograd, 1992.


Q QL D1 1= , (1.2)

odnosno do izjednačenja temperatura obe polukugle:

t tL D1 1= . (1.3)

Od tog trenutka spontanih procesa više ne može biti. Novi dogañaj u sistemu se može desiti jedino dovoñenjem nove energije.

(a) (b)

Slika 1.1 -- Osnovno (a) i terminalno stanje kugle kao zatvorenog sistema (b).

Opisana dva principa su platforma za opis spontanih procesa ne samo u termodinamici, već generalno, pa i u elektrici. Naime smisao gubitaka električne energije prilikom njenog prenosa (vodom), ili njene unutrašnje transformacije (transformatorom), zasnovan je upravo na njima. Tipičan primer tih gubitaka su oni koji se javljaju u provodnicima s otpornošću R i strujom I. Električka empirija govori o tome da se snaga tih gubitaka Pγ realizuje saglasno s Joule-ovim zakonom:

P RIγ =2 . (1.4)

Npr., ako se na početku para provodnika dovodi električna energija odreñenog napona i struje, a na kraju tog para se ta energija troši, ako duž tih provodnika nema nikakvih drugih energetskih transformacija, tada je energija na kraju para provodnika umanjena za iznos iskazan izrazom (1.4). Reč "umanjena" važi doslovno, tj. parametar R je pozitivan broj. On ne može biti negativan pošto bi to protivurečilo drugom od napred navedena dva principa. Dakle, električna energija se ne može prenositi (niti transformisati) bez gubitaka. Priroda električne energije je u potpunoj saglasnosti s prirodom svih ostalih procesa u danas poznatom svemiru. Dakle, entropija je institucija čije povećanje nužno prati svaku transformaciju (prenos) energije. U tom smislu se može prikazati niz transformacija energetskog sadržaja uglja, do električne energije i entropije. Taj niz je prikazan na slici 1.2. Transformacije su označene strelicama izvučenim dvostrukim linijama. Uz njih su naznačeni i odgovarajući ureñaji u kojima se transformacije realizuju [parni kotao, parna turbina, električni


generator i termoakumulaciona (TA) peć]. Iz tih strelica, otočno se odvajaju isprekidane strelice. One ukazuju na to da se delovi energije prilikom transformacija gube ("nepovratni procesi"), tj. u energetski sadržaj koji se dalje ne može transformisati. Dakle, s tim sadržajem čovek ne može više računati. Nepovratni procesi, osim transformacije električne energije u toplotu u TA peći (kada se čovek okorišćava), nazivaju se gubicima energije. Oni nužno prate svaku energetsku transformaciju. Na prikazanom primeru, to su gubici toplote kotla, koja nije pretvorena u energiju vodene pare; gubici na trenje u ležištima parne turbine; gubici na omskim otporima namotaja generatora, gubici na trenje u njegovim ležištima itd. Otud imperativ da se prilikom ustanovljavanja svakog ureñaja za energetske transformacije (prenos) minimiziraju gubici.

Srediti fusnote – duple su ??? (posle brisanja)

Slika 1.2 -- Transformacija energetskog sadržaja uglja u električnu energiju.

Definitivno, na slici 1.3 dat je globalan prikaz zbivanja u prirodi. Tim prikazom se žele naglasiti transformacije koje su od interesa u ovoj knjizi. Priroda je podeljena u tri vrste: 1 -- životinje i biljke; 2 -- čovek i 3 -- prirodni oblici energije. Čovek, svojim razumom, deluje svuda (strelice izvučene tankim linijama). Rezultat tog delovanja su energetske transformacije (prenos) označene "praznim" i "punim" strelicama. Npr., uzgajanjem biljaka i životinja, čovek, sebi obezbeñuje hranu -- okorišćuje se; "delovanjem na svoj organizam", vršeći rad (mehanička energija), okorišćuje se takoñe. Ove transformacije su označene praznim strelicama. One nisu od interesa za razmatranja u ovoj knjizi. Ono što jeste od interesa, to je delovanje čoveka (razumom) na prirodne i transformisane oblike energije (ugalj, vodu, mehanički rad, električnu energiju,...). Rezultati takvog delovanja su transformacije energije u druge oblike ili gubitke, kojom prilikom se čovek manje ili više okorišćuje. Npr., delovanjem na ugalj (paljenjem), dobija


se toplota; tom se prilikom čovek direktno okorišćuje. Ili, daljom transformacijom toplote prema električnoj energiji, a ove u toplotu (npr., koristeći TA peći -- proces na slici 1.2), čovek sebi stvara uslove u kojima se još povoljnije okorišćuje o energiju. Samo takve energetske transformacije, označene punim strelicama, od osnovnog su interesa u ovoj knjizi. U okvirima tih transformacija će se tražiti mesto električnoj energiji.

Slika 1.3 Globalan prikaz zbivanja u prirodi koja su rezultat delovanjem čoveka.

1.2 Oblici energije i njene transformacije

Od interesa u ovom paragrafu su odgovori na sledeća četiri pitanja:

1. Gde sve i koliko ima energije? 2. Kakvi su njeni oblici? 3. Koje su to transformacije energije o koje se čovek može okoristiti? 4. Gde je mesto električne energije u energiji uopšte. Odgovori na ova pitanja se mogu naći praćenjem misaonog dometa trijade pojmova: DELOVANJE, SILA, ENERGIJA. Taj domet je onoliko veliki, koliko daleko se može misaono dopreti u vremenu i prostoru. Pri tom treba imati na umu da: "Sva energija u Zemlji, na Zemlji i oko Zemlje, na izvestan način je ostvarenje minulog i tekućeg rada Sunca kao zvezde, čijem sistemu (Sunčev sistem) pripada i Zemlja".8 U

8H. Numić: Fizika i društvena univerzalnost energije; u monografiji Energija i razvoj, Jugoslovenski savez društva za širenje naučnih saznanja, str. 33 -- 38, Beograd, 1986.


minuli rad spadaju: ugalj, nafta, nuklearno gorivo,... . Tekući rad su: drvo, vodeni tokovi, sunčeva toplota,... . S jedne strane, odlazeći u prošlost, još se u školi Atomista (osnivač Leukip iz Mileta, oko IV veka p.n.e.), znalo za atomsku strukturu materije (sveta oko nas -- prirode). Znalo se da su osnovni konstituenti materije atomi. Sama reč atom vodi poreklo od grčke reči "atomos" što znači nedeljiv. Prvi (dinamički) model atoma (jezgro i omotač s elektronima) predložio je Ernest Rutherford, dobitnik Nobelove nagrade za hemiju 1908. godine. Kao što nije početak, to nije ni kraj saznanja o svetu koji nas okružuje. Danas, na kraju dvadesetog veka, poznata su 24 konstituenta materije (atoma). Njih je Karlo Rubina (dobitnik nobelove nagrade za fiziku 1984. godine) sveo na svega četiri: dva kvarka koji grade proton i neutron i dva leptona (elektron i njegov nenaelektrisani partner neutrino). Može se pretpostaviti da je to samo korak dalje ka saznanju jedinstvenog, "još bazičnijeg" konstituenta, tj., to je tek otškrinut prozor prema dubini materije. U takvoj prirodi (materiji) do sada su poznate četiri vrste (energetskih) delovanja: gravitaciono, elektromagnetno, slabo i jako. Ona su prema dometu, prema ličnostima za koje se njihovo ustanovljavanje vezuje, kao i disciplinama u kojima se neposredno izučavaju, opisana u tabeli 1.1.9,10,11

Tabela 1.1 -- Opis četiri vrste delovanja.

Delovanje Formulacija Domet 1. GRAVITACIONO

Isacc Newton, oko 1680; Prirodni zakon opšte gravitacije u delu "MATEMATIČKI PRINCIPI FILOZOFIJE PRIRODE I NJEN SISTEM SVETA".

Nivo makro mase i prostora; dublje u materiji je zanemarljivo zbog malih masa.

(MEHANIKA) 2. ELEKTROMAGNETNO

Charles Coulomb, 1785: Električno polje; Hans Christian Oersted, 1820: Skretanje magnetne igle u prisustvu struje. James Maxwell-ova sintetička teorija elektromagnetizma, 1876.

Nivo atoma; integralni efekti zahvataju makro prostor.

(ELEKTROMAGNETIKA) 3. SLABO

4. JAKO

Ernest Rutherford; početkom 20. veka; Dinamički model atoma; Hahn Oto i Fric (Štrosman); 1939; Fisija (cepanje); Fuzija (spajanje) -- aktuelan problem.

Na "dubinama" reda 10 10− m (nivo osnovnih konstituenata jezgra atoma).

(FIZIKA VISOKIH ENERGIJA)

Gravitaciono delovanje je prvo formulisano, ali je najsiromašnije objašnjeno. Elektromagnetno delovanje jeste na nivou atoma i molekula, ali se njegovi integralni efekti osećaju u makro prostoru. Jako delovanje je najjače od četiri osnovna delovanja u prirodi, s najkraćim dometom. Ono drži na okupu kvarkove u protonima i neutronima,

9H. Numić: Fizika i društvena univerzalnost energije; u monografiji Energija i razvoj, Jugoslovenski savez društva za širenje naučnih saznanja, str. 33 -- 38, Beograd, 1986. 10P. Savić: O vrsti energetskih izvora i transfera energije; u monografiji Energija i razvoj, Jugoslovenski savez društva za širenje naučnih saznanja, str. 3 -- 7, Beograd, 1986. 11S. Fajfer: Osnovne spoznaje o strukturi materije; u monografiji Energija i razvoj, Jugoslovenski savez društva za širenje naučnih saznanja, str. 39 -- 45, Beograd, 1986.


kao i protone i neutrone obrazujući atome. Slabo delovanje je sasvim kratkog dometa, od kojeg je slabije samo gravitaciono. Ono deluje na sve čestice materije, ali ne i na čestice koje nose silu.12 Naslućujući jedinstvo materije i prirode, kao i u slučaju istraživanja osnovnog (jedinstvenog) konstituenta materije, filozofi i naučnici su postavili pitanje zajedničkog imenitelja (sinteze) nabrojane četiri vrste delovanja. U odgovoru na to pitanje do sada se uspelo da se, s "teorijom velikog objedinjavanja"13,14, drugo, treće i četvrto delovanje sintetizuju i objasne njihovom jedinstvenom kvantnom prirodom, tj. s kvantom (fotonom) kao nosiocem delovanja. Veliki doprinos toj sintezi dao je i Albert Einstein. Vrlo su atraktivni, ali za sada bez uspeha, pokušaji da se i priroda gravitacije svede na kvantnu, te tako zatvori pomenuta teorija velikog objedinjavanja. Elektromagnetno, slabo i jako delovanja su od posebnog interesa upravo stoga što u njihovim okvirima počinje da se "značajno oseća" Einstein-ov fundamentalni obrazac o dualnoj prirodi materije, tj. o dvoma ključnim svojstvima materije -- masi i energiji:

( ).103 , odnosno , 822 smcmcEmcE ⋅=∆=∆= (1.5)

Relacija (1.5) može se tumačiti i na taj način da se "anihilacijom" --"poništavanjem" mase m (odnosno promenom mase za ∆m) generiše energija E (odnosno energetski sadržaj promeni za ∆E ). Ovim se potvrñuje mišljenje da materija nije ništa drugo do prostorno grupisanje različitih vrsta energije. Jedan globalan uvid u kvantitet nekoliko izabranih energetskih transformacija, počevši od slobodnog pada i sagorevanja, pa do anihilacije, dat je u tabeli 1.2.15

Tabela 1.2 -- Globalan uvid u kvantitet energetskih transformacija.

Vrsta transformacije

Red veličine energetskog sadržaja transformacije

[kWh] Slobodan pad 1g mase s visine 1m 10-9 Sagorevanje 1g lignita 10-3 Fisija 1g U 10+6 Fuzija 1g helijuma od odgovarajuće količine deuterijuma i litijuma

10+9

Anihilacija 1g mase 10+14

Prilično obuhvatan odgovor na četiri pitanja postavljena na početku ovog paragrafa, zaokružuje se energetskim oblicima i transformacijama prikazanim na slici 1.4. Na njoj su prikazani izabrani -- najvažniji oblici energije i njene transformacije.

12S. W. Hawking: A Brief History of Time; (prevod na srpski), Polaris, Beograd, 1992. 13Ibid. 14S. Fajfer: Osnovne spoznaje o strukturi materije; u monografiji Energija i razvoj, Jugoslovenski savez društva za širenje naučnih saznanja, str. 39 -- 45, Beograd, 1986. 15P. Savić: O vrsti energetskih izvora i transfera energije; u monografiji Energija i razvoj, Jugoslovenski savez društva za širenje naučnih saznanja, str. 3 -- 7, Beograd, 1986.


Slika 1.4 -- Klasifikacija oblika energije i odgovarajuće transformacije.16

1.3 Energija industrijskog društva

Imajući u vidu razvoj ljudskog društva, može da se napravi njegova (uslovna) podela na tri perioda: pred-industrijsko, industrijsko i post-industrijsko (slika 1.5). Za

16H. Požar: Osnovi energetike I i II; Školska knjiga, Zagreb, 1976.


početak industrijskog društva se smatra period obeležen pronalaskom parne mašine (James Watt, 1736. -- 1819; dva njegova patenta: 1769. i 1784.). Taj period koincidira s dve značajne društvene revolucije -- Engleska buržoaska revolucija (sredina 18. veka) i Francuska buržoaska revolucija (na prelomu 18. i 19. veka). Uvoñenjem parnih mašina u fabrike, dolazi do radikalnih promena proizvodnih snaga, tj. do zamene ljudskog rada mašinom, što izaziva nagli porast potreba ("glad") za energijom. Industrijska revolucija je počela u Engleskoj s ugljem, sredinom 18. veka, zahvatajući razvijenije zemlje na severnoj hemisferi (Nemačka, severna Evropa, Rusija, Kina i Amerika), koje su imale mogućnost za eksploataciju uglja. Njene refleksije dosežu do sredine dvadesetog veka, do trenutka kada eksploatacija nafte i gasa dostiže vrhunac.

Slika 1.5 -- Tri perioda razvoja ljudskog društva.

Potrošnja uglja u nekoliko značajnih zemalja, u 19. i 20. veku prikazana je u tabeli 1.3.

Tabela 1.3 -- Godišnja potrošnja uglja u nekoliko značajnih zemalja.

ZEMLJA GODINA Mil. tona uglja 1800. 10

Engleska 1880. 142 1913. 287

Amerika 1850. 8.5 1900. 250

Rusija 1898. 8.2 Kina 1936. 35

1978. 618


Ugalj, nafta i gas čine osnovna fosilna goriva. Njihova količina je ograničena. Procenjuje se da od njihovih ukupnih rezervi 80% pripada uglju, 12% nafti i gasu i svega oko 8% ostalim fosilnim gorivima (uljni škriljci...).

Današnja glad za energijom delimično se zadovoljava i iz nuklearnih reaktora (elektrana) zasnovanih na fisiji. Ima zemalja u kojima je nuklearna energetika vrlo značajan energetski faktor (npr. u Francuskoj se čak 60 do 80% električne energije proizvodi u nuklearnim elektranama). Stalna nedoumica koja prati nuklearnu energetiku posledica je činjenice da se nuklearna energija danas eksploatiše na bazi prilično spornog kompromisa izmeñu njenih "blagodeti" (cena i čistoća u normalnom pogonu) i "maksimalnog akcidenta" (npr., Černobilj u Sovjetskom savezu, 1986. godine). Verovatnoća dogañanja takvog akcidenta je "mala", ali je on fatalan. Štaviše, za psihološku dimenziju njenog korišćenja je vezana činjenica da je atomska (nuklearna) energija, nažalost, prvi put upotrebljena u ratne svrhe, kada su Amerikanci bacili atomske bombe na Hirošimu i Nagasaki, 6. i 9. avgusta 1945. godine, respektivno. Pri tom je oko 80.000 ljudi izgubilo život, još toliko je ranjeno, a posledice tada nastale radijacije se osećaju i danas. Osim toga, danas se objavljuju podaci o eksperimentima "in vivo" koji su u Americi i Sovjetskom savezu vršeni s eksplozijama atomskih bombi u ljudskom (vojničkom) okruženju. Ipak, vrlo impozantno deluje sledeća ekvivalencija:

1 3tona urana miliona tona uglja.⇔

Da li će nuklearna energija postati ravnopravan partner uglju i nafti, da li će biti potisnuta, ili će biti favorit (naročito imajući u vidu fuziju, koja još uvek izmiče tehničkim mogućnostima današnjice), pitanje je budućnosti. Svakako, ta će odluka pasti onda kada se (ne) nañu tehnološka rešenja koja neće biti zasnovana na napred pomenutom kompromisu (dobrobit -- maksimalni akcident), već na "apsolutnoj" fizičkoj i psihološkoj sigurnosti nuklearne energetike.

Upravo na takvim rešenjima, ili pak na radikalno drugačijim energetskim transformacijama, zasnivalo bi se proglašenje prelaza iz industrijskog u post-industrijsko društvo (upitnici na slici 1.5).

Od značajnih energetskih izvora današnjice ostaje da se pomene voda. Ona je, za sada, "najplemenitiji" energetski izvor. Osim toga, u pitanju je obnovljiva energija. U osnovi Teslinih vizija za definitivno rešenje energetskih potreba Zemlje, nalazila se i voda. Njome su se pokretali i još se pokreću električni generatori na Nijagari s kraja 19. veka. Energijom vode je trebalo da se zadovoljavaju potrebe potrošača ma gde se oni na Zemlji nalazili i koliki god oni bili. Nažalost, današnjica je demantovala Teslu koji je propagirao vodu kao "nepresušni" izvor energije. Ona, iako obnovljiva, postaje sve manji relativan činilac energetske proizvodnje (potrošnje) Zemlje. Sve se više energije proizvodi iz fosilnih (i nuklearnih) goriva.

Na kraju, nužno je akcentirati jednu činjenicu vezanu za iskoristivost nekonvencionalnih izvora energije (vetar, toplota mora, sunčeva energija,...-- slika 1.4). Njihov udeo u celokupnim energetskim resursima ne prelazi red veličine jednog procenta. Osim toga, s aspekta današnjih tehnoloških rešenja, njihova jedinična cena je vrlo velika. Tako, ti izvori, za sada, ostaju atraktivni uglavnom u specijalnim uslovima.


Trend rasta energetskih potreba (proizvodnje) dat je u tabela 1.4. Ona sadrži podatke o realizovanom procentu porasta potrošnje na osnovu kojeg se može ustanoviti odgovarajući trend.

Tabela 1.4 -- Realizovani procenat rasta potrošnje energije u svetu, u periodu 1860. -- 1980. godina.

Decenija 1860./70. 70./80 80./90. 90./00. 1900./10. 10./20. Realizacija 1.315 1.711 1.951 2.350 2.819 1.390

20./30. 30./40. 40./50. 50/60. 60./70. 70./80. 1.130 1.563 2.127 4.887 4.637 2.753

Na osnovu podataka iz tabele 1.4 i njene grafičke predstave date na slici 1.6, može se zaključiti da dosadašnji trend porasta potrošnje (proizvodnje, energetskog bilansa) iznosi izmeñu 2 i 3% godišnje (u proseku po naznačenim dekadama).

Slika 1.6 -- Realizovani procenat rasta potrošnje energije u svetu, u periodu 1860. -- 1980. godina.17

Struktura (procentualno učešće pojedinih oblika) potrošnje, pa i proizvodnje, odnosno bilansa energije u svetu, u prošlosti, s izvedenom vizijom budućnosti, prikazana je u tabeli 1.5 i na slici 1.7.

17M. Osmanagić: Energija industrijskog društva, u monografiji Energija i razvoj, Jugoslovenski savez društva za širenje naučnih saznanja, str. 9 -- 14, Beograd, 1986.


Tabela 1.5 -- Struktura potrošnje (proizvodnje) energije u svetu, za period 1800. -- 2200. godine.18

\ GODINA ________________________________________________

VRSTA \ 1800. 1900. 2000. 2100. 2200.

1. Biljno gorivo (drvo) 94.4 40.2 2.0 - - 2. Ugalj (i lignit) 5.5 56.0 20.0 7.0 1.0 3. Nafta i gas - 3.0 56.5 1.0 - 4. Nuklearna energija - - 16.5 36.0 4.0 5. Hidro i ostali oblici 0.1 0.8 5.0 56.0 95.0 UKUPNO 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0

1, 2, 3, 4, 5 -- Saglasno s numeracijom u tabeli 1.5.

Slika 1.7 -- Struktura potrošnje (proizvodnje) energije u svetu, za period 1800--2200. godine.19

Na osnovu slike 1.7 može se zaključiti da je 1920. godine dominirao ugalj, a 1980. nafta i gas. Perspektiva u kojoj konstantna voda relativno opada, a fosilna goriva se iscrpljuju, postaje prilično neizvesna. Ona se zasniva, praktično, na "ostalim oblicima" energije.

18M. Osmanagić: Energija industrijskog društva, u monografiji Energija i razvoj, Jugoslovenski savez društva za širenje naučnih saznanja, str. 9 -- 14, Beograd, 1986. 19Ibid.


Radi globalnog sagledavanja trenda godišnjih energetskih bilansa Zemlje, u tabeli 1.6 se daju dve, praktično potpuno poznate potrošnje (proizvodnje) energije -- 1789. i 1997. godina, kao i jedna vizija (prognoza) -- 2200. godina. Vizija je zasnovana na trendovima iz prošlosti. Dakle, kada bi se nastavilo s dosadašnjim trendovima, vizija dogañaja u budućnosti deluje u najmanju ruku zastrašujuće (stostruko povećanje nivoa energetskog bilansa). To je posledica činjenice da su se dosadašnji kriterijumi za uspostavljanje energetskih bilansa zasnivali na bezobzirnom praćenju rastućih zahteva odgovarajućom proizvodnjom energije. Otud nužnost da se iz industrijskog u post-industrijsko društvo (upitnici na slici 1.5) preñe s radikalno sofisticiranijim kriterijumima u odnosu na današnje. Ti bi kriterijumi morali da zahvate ne samo proizvodnju energije već i zahteve za njenom potrošnjom. Drugim rečima, moralo bi se zaći u smisao same ideje "razvoja Zemlje".

Tabela 1.6 -- Prošlost i vizija budućnosti s aspekta energetskog bilansa Zemlje.

GODINA POTROŠNJA ENERGIJE (u milionima teu)20 1789. 193 1997. 19.350 2200. 1.967.150 (prognoza)

1.4 Energetske rezerve u svetu i Jugoslaviji21

Radi sagledavanja sveukupne energetske situacije kako u svetu tako i u Jugoslaviji nužno je razmotriti vrstu i količinu njihovih energetskih rezervi. Pregled rezervi primarnih oblika energije, po kontinentiima, dat je u tabeli 1.7. Tabelu treba razmatrati na bazi prognoziranih godišnjih globalnih energetskih potreba u 1997. godini koje iznose:

19 350 109. ⋅ teu.

Na bazi trenutne godišnje potrošnje energije, te ukupnih svetskih rezervi, još nije akutan problem zadovoljenja tekućih i bliskih apetita. Meñutim, već za stotinak godina, bez radikalnih novina nastali bi vrlo ozbiljni problemi na relaciji: apetiti (potrebe) -- raspoloživa energija. Tako, čovečanstvo još uvek "ima vremena" za rešenje svog energetskog problema.

Mesto Jugoslavije u Evropi prikazano je u tabeli 1.8. Osim toga, u njoj su istaknute energetske rezerve onih zemalja u kojima konkretnog energetskog oblika ima najviše (vrsta "Max u EU [%]").

Dakle, Jugoslavija spada u zemlje srednje-bogate s energijom. Nema opasnosti da ona meñu prvima oseti posledice nedostatka energije, ali se s takvim njenim "bogatstvom" nikako ne sme biti komotan. To znači da se uporedo sa svetom, u Jugoslaviji mora raditi na rešavanju sopstvenog energetskog bilansa, tj., Jugoslavija se mora uključiti u svetsku podelu rada na rešavanju svetskog energetskog problema.

Tabela 1.7 -- Raspodela iskoristive rezerve energije po kontinentima

201 teu ⇔ 7⋅106 kcal/t -- kameni ugalj; t -- tona, teu -- tona ekvivalentnog uglja. 21S obzirom da je ovaj tekst pisan u vreme konstituisanja Savezne republike Jugoslavije, autor je raspolagao kvalitetnim podacima samo za bivšu Socijalističku Federativnu Republiku Jugoslaviju. (Podaci su preuzeti iz knjige H. Požar: Osnove energetike I i II; Školska knjiga, Zagreb, 1976.) Najgrublja procena energetskih rezervi sadašnje Jugoslavije može se izvesti prepolovljenjem prikazanih vrednosti.


(gledište 1972. godine).

\ VRSTA ___________________________

LOKACIJA\

Mrki ugalj

+ Lignit

Sirova nafta Zemni gas Hidro***

energija

Uran

Afrika 0.14 14.04 10.87 20.61/1.5 17.72 Amerika (bez SAD)

0.41 10.25 8.91 24.72/11.9 17.06

Azija (bez SSSR)

2.87 58.96 23.30 26.91/7.5 2.01****

Evropa (bez SSSR)

41.94 1.52 8.59 7.37/52.9 17.42

Australija + Okeanija

4.37 0.25 1.31 2.06/14.3 8.23

SSSR 30.33 8.89 32.63 11.17/11.2 ****

SAD 19.94 6.09 14.39 7.16/36.6 37.56

UKUPNO 100% *

(73.2⋅109 teu) 100% **

(91.53⋅109 t) 100%**

(52.53⋅1012 nm3) 100%

(9802.4⋅109 kWh/god)

100% **** (1944⋅103 t)

* Poznate rezerve koje uključuju i one koje danas nije ekonomično koristiti, iznose 1224.4⋅109 teu.

** Poznate ukupne rezerve su praktično iskoristive. *** Iskoristive rezerve [kWh/g] / procentualno korišćenje u odnosu na njih. **** Bez učešća Kine i SSSR, pa se 100% odnosi na ostatak sveta.

Tabela 1.8 -- Energetsko učešće Jugoslavije [%] u Evropskoj uniji [100%] 1972. godine (nije uključen SSSR).

\ VRSTA _______________________________

LOKACIJA \ Ugalj Sirova nafta Zemni gas Hidro

energija Uran

Jugoslavija [%] 19.54 6.98 1.29 9.14/31.5 1.77

Max u EU [%] Nemačka 57.07

Engleska 38.50

Holandija 43.64

Norveška 16.75/55.3

Švedska 79.68

1.5 Osnovni nedostaci primarnih oblika energije -- smisao električne energije

Ako se izvrši analiza primarnih oblika energije, nailazi se na dva njihova osnovna nedostatka:

1. Po pravilu, resursi -- izvori primarnih oblika energije nisu "uz potrošače" (rudnici uglja i urana, bušotine nafte i gasa, vodeni tokovi... .

2. Te je oblike uglavnom teško neposredno koristiti [čak i ugalj i nafta za grejanje i osvetljenje, motorni pogon, pa čak i saobraćaj na (prerañenu) naftu, veliki su problemi današnjice].

Prvi nedostatak implicira nužnost za prenosom energije s lokacije gde je raspoloživa do centara konzuma (potrošnje), pa njenu raspodelu -- distribuciju po svakom individualnom potrošaču -- korisniku.


Drugi nedostatak implicira nužnost za transformacijom primarnih oblika energije u oblike pogodnije za prenos i korišćenje (grejanje, motorni pogon, osvetljenje,...). Obe nužnosti (potrebe) vezane za energiju najjednostavnije i najefikasnije se mogu zadovoljiti električnom energijom. Ona se jednostavno prenosi, distribuira i transformiše u "sve" upotrebne oblike. Uz to, vrlo jednostavno se dobija iz "svih" primarnih oblika energije -- slika 1.4 (epigraf Uvoda). To su razlozi zbog kojih električna energija zauzima važno mesto u energetici. Bez nje bi industrijsko društvo bilo još uvek na nivou parne mašine, a današnji informacioni sistem bio bi kao institucija nepoznat. Osnovne pogodnosti električne energije su prikazane na slici 1.8. To su: 1 -- jednostavna proizvodnja (transformacija iz primarnih izvora energije); 2 -- jednostavan prenos i 3 -- distribucija (raspodela), kao i 4 -- jednostavna transformacija u upotrebne oblike (neposredna potrošnja). Te četiri pogodnosti u potpunosti koincidiraju s četiri podsistema elektroenergetskih sistema: 1 -- PROIZVODNJA, 2 -- PRENOS, 3 -- DISTRIBUCIJA i 4 -- NEPOSREDNA POTROŠNJA. Poslednja dva podsistema čine podsistem POTROŠNJE u širem smislu reči. Tako je elektroenergetika, tj. elektroenergetski sistem potpuno analogan s ma kojim drugim energetskim sistemom, pa i šire [npr. "sistemom uglja": 1 -- proizvodnja (ugljenokopi); 2 -- prenos (železnicom ili drumskim saobraćajem, do stovarišta); 3 -- distribucija (prevoz do domaćinstava) i 4 -- neposredna potrošnja (loženje)].

Slika 1.8 -- Osnovne prednosti korišćenja električne energije i struktura elektroenergetskih sistema.

1.6 Merne jedinice za energiju i snagu

Energija se opisuje, izmeñu ostalog, i kao sposobnost vršenja rada. Na primeru odreñivanja mehaničkog rada koji je potreban da bi se, pod dejstvom (vektora) sile

rF ,

pomerilo jedno telo iz tačke 1 u tačku 2, može da se sagleda energija potrebna za taj proces (slika 1.9).


Slika 1.9 -- Mehanički rad.

Ukupni rad koji telo izvrši na tom putu dobija se polazeći od elementarnog rada koji se uloži na elementarnom putu ds

r (skalarni proizvod vektora sile i elementarnog

puta):

dW Fds Fds= =r r

cos ,α (1.6)

odakle ukupan rad (energija), potreban za pomeranje tela iz tačke 1 u tačku 2, iznosi:

W Fds121

2

= ∫ cos .α (1.7)

Realizacija energije (rada) može se demonstrirati i na primeru druge vrste sile -- pritiska. U tu svrhu se razmatra sud zapremine V i pritiska p, zatvoren odozgo pokretnim zidom. Neka se pod pritiskom p, gornji pokretni zid suda iz položaja 1 pokrenuo do položaja 2. Situacija je prikazana na slici 1.10.

Slika 1.10 -- Rad pod pritiskom.

Elementarni rad (energija) potrebna da se gornji zid pri zapremini V, pod pritiskom p, pomeri tako da se zapremina V promeni za elementarni deo dV, iznosi:

dW pdV= . (1.8)

Ukupni rad (energija) realizovan prilikom navedene promene položaja gornjeg zida iznosi:

W pdV121

2

= ∫ . (1.9)

Ako se napred izložena dva primera, pa i ma koje drugo vršenje rada (realizacija energije), prošire i dimenzijom vremena, dolazi se do pojma snage. Snaga se definiše kao brzina promene (transformacije, korišćenja, isporuke, prenosa) energije:


P dW dt= . (1.10)

Jedinice koje se danas koriste za opisivanje navedenih veličina moraju biti u skladu s Meñunarodnim sistemom jedinica -- SI sistemom. Jedinica za silu je njutn (Newton -- N). To je sila koja telu mase 1kg daje ubrzanje od 1m s2 :

N kg m s .2=( ) ⋅ (1.11)

Odgovarajuća jedinica za energiju je džul (Joule -- J). To je rad koji izvrši sila od 1N pomerajući se u sopstvenom pravcu i smeru za 1m:

( ) ( )J N m kg m s2 2= ⋅ = ⋅ . (1.12)

Snaga se izražava u vatima (Watt -- W). To je snaga kojom se u jedinici vremena obavi rad ili realizuje energija od 1J:

W J s.=( ) (1.13)

Nekoliko relacija izmeñu navedenih jedinica, uključujući kaloriju (cal) i tonu ekvivalentnog uglja (teu) glase:

1kWh 3.6 MJ;

1cal 4.1868J; 1kcal 1.163 10 kWh;

1teu 7000 10 7 10 kcal 8.142 10 kWh.

3

3 6 3

=

= = ⋅

= ⋅ = ⋅ = ⋅

− (1.14)

Pod "ekvivalentnim ugljem" se, dakle, smatra ugalj kalorijske vrednosti 7000 kcal/kg. Tom se jedinicom često izražavaju energetski sadržaji prirodnih oblika energije.

1.7 Rezime prve glave

U prvom paragrafu ove glave ("Čovek i energija") stavljeni su u relaciju pojmovi "čovek" i "energija". Istražen je smisao energije za čoveka. Taj smisao je nañen u njegovom okorišćavanju u toku transformacija energije iz jednog oblika u drugi (transformacijom hemijske energije uglja u toplotu, čovek se greje, priprema hranu ...; transformacijom električne energije u mehaničku, pokreću se prese, strugovi, itd.). Koristeći se aksiomom o svemiru (prirodi) kao zatvorenom sistemu, uz dva principa (aksioma) kojima je uslovljeno svako zbivanje (pa i transformacija energije) -- princip održanja energije i princip povećanja entropije -- energetske transformacije su stavljene u kontekst opštih zbivanja u prirodi. Iz okvira entropije su izvedeni gubici energije, kao nužni pratioci svake transformacije (prenosa) energije, pa i električne. U drugom paragrafu ("Oblici energije i njene transformacije"), prateći u prostoru i vremenu misaoni domet trijade pojmova: delovanje, sila, energija, odreñene su "lokacije" energije: gravitacija, elektromagnetno, slabo i jako delovanje. Odgovarajući energetski sadržaji su kvantitativno uporeñeni. Definitivno, prilično iscrpno su prikazani danas poznati oblici energije i odgovarajuće transformacije. Posebno su istaknute one transformacije koje ukazuju na centralno mesto električne energije, kao oblika preko kojeg su praktično svi ostali oblici na neki način povezani. Upravo takvo mesto favorizuje električnu energiju u odnosu na ostale oblike energije. Korelacija izmeñu razvoja ljudskog društva i energije uspostavljena je u trećem paragrafu ("Energija ljudskog društva"). Početak intenzivnog korišćenja energije vezan je za industrijsku revoluciju čiji je početak vremenski lociran u 18. i 19. veku, tj. posle


Engleske (sredina 18. veka) i Francuske buržoaske revolucije (na prelomu 18. i 19. veka). To je vreme kada koincidiraju radikalan razvoj društvenih odnosa (političke revolucije) i radikalan razvoj proizvodnih snaga (industrijska revolucija). Trenutna situacija je takva da već estabiliranom uglju, nafti i gasu, konkuriše nuklearna energija. Postavljeno je pitanje korektnosti vezivanja prelaza iz industrijskog u post-industrijsko društvo za ustanovljavanje današnjih tehničkih rešenja za korišćenje nuklearne energije (fisija). Nuklearna energija zasnovana na fuziji još uvek je otvoren tehnički problem. Pri svemu tome, voda ostaje i dalje "najplemenitiji oblik", ali je njen relativni udeo u pokrivanju potreba za energijom sve manji. Alternativni izvori energije (nekonvencionalni -- vetar, sunce, plima i oseka ...) imaju samo marginalan kvantitativni značaj. Za prelaz u post-industrujsko društvo sugerisana je mogućnost da se redefinišu standardni kriterijumi za uspostavljanje energetskih bilansa koji, za sada, impliciraju stalnu trku za rastućim potrebama ("gladi") za energijom. Umesto toga, možda bi taj prelaz trebalo vezati za radikalnu promenu gledišta na svetski energetski bilans, gledišta koje bi se možda oslanjalo na radikalnu promenu značenja pojma "razvoj Sveta". U četvrtom paragrafu ("Energetske rezerve u svetu i Jugoslaviji") istaknuto je da Jugoslaviji ne preti "energetska opasnost" veća od one prosečne koja preti celom svetu. Iz toga je ustanovljena implikacija da se Jugoslavija mora aktivno uključiti u svetsku podelu rada na rešavanju svetskog energetskog problema. U petom paragrafu ("Osnovni nedostaci primarnih oblika energije -- smisao električne energije"), na bazi dva nedostatka primarnih oblika energije: 1 -- dislokacija energetskih resursa od potrošača -- konzuma i 2 -- teškoće prilikom njihove transformacije u upotrebne oblike, izvedene su osnovne prednosti električne energije: 1 -- jednostavno dobijanje iz ostalih oblika energije, 2 -- jednostavan prenos i 3 -- distribucija, kao i 4 -- jednostavna transformacija u "sve" upotrebne oblike. Odatle su izvedene četiri osnovne komponente -- podsistemi elektroenergetskih sistema: proizvodnja, prenos, distribucija i neposredna potrošnja. Šesti paragraf ("Merne jedinice za energiju i snagu") sadrži jedinice koje su od značaja za elektroenergetiku.

1. osnovi energetike - telekomunikacije | Само још ... · iz pojma energija se izvodi pojam...

Documents