Projektovanje sistema Tehnologije konverzije energijeSarajevo, 28.02.2014.god.

Uvod U fizici kao i tehnici (ininjerstvu), pod pojmom energetske transformacije ili pretvorbe, smatramo svaki proces pretvorbe energije iz jednog oblika u drugi. Promjena energije u sistemima moe biti ostvarena samo dodavanjem ili oduzimanjem energije iz sistema, jer je energija koliina koja je sauvana. Energija u sistemu moe biti transformirana tako to se nalazi u drugom obliku, pa se ta energija u raznim oblicima koristi za vrenje raznolikih fizikih radova. Energija fosilnih goriva, Sunevog zraenja ili nuklearnog goriva moe biti pretvorena u drugi oblik energije poput elektrine, mehanike ili toplinske koje su nam potrebnije pa se stoga koriste strojevi za pretvorbu energije.

Stupanj korisnosti stroja okarakteriziran je vrijednou izlazne jedinice koja je dobivena u samom procesu pretvorbe. Energetske transformacije su bitne pri primjeni energetskih koncepata u raznim prirodnim naukama kao to su biologija, hemija, geologija. Na primjer, kod elektrane na ugalj se dogaaju sljedee transformacije energije: Hemijska energija u ugljenu pretvara se u toplinsku energiju Toplinska energija se pretvara u kinetiku energiju u obliku pare Kinetika energija se pretvara u mehaniku u turbini Mehanika energija turbine se pretvara u elektrinu energiju

Proizvodnja elektrine energije

Termoelektrane su energetska postrojenja ija je osnovna namjena proizvodnja i transformacija primarnih oblika energije u koristan rad, koji se kasnije u obliku mehanike energije dalje iskoritava za proizvodnju elektrine energije (Slika 1). Imamo pretvaranje kemijske energije u toplinsku koja se pak razliitim procesima predaje nekom radnom mediju. Radni medij pak slui kao prenosnik te energije do mjesta gdje e ona biti dalje transformirana i iskoritena. Samo postrojenje se sastoji od mnogo razliitih dijelova koji tvore jednu kompleksnu cjelinu. Naravno treba izdvojiti neke najvanije dijelove koji tvore zatvorene cjeline unutar jedne termoelektrane (npr.generator pare, turbina i generator,...) Bez obzira to termoenergetska postrojenja mogu posluiti u niz primjera (kao to je npr. promet) njihova glavna primjena i svrha je proizvodnja pare koja e pokretati turbinu, a zatim i generator elektrine energije.

Slika 1. Moderna termoelektrana na ugalj

U samom procesu dobivena toplinska energija moe se iskoritavati, ne samo za paru koja e ii u turbinu, ve i kao energija koja e posluiti kod grijanja. Naravno za grijanje se koristi para manjih toplinskih i temperaturnih parametara. Problem ovih postrojenja su gubici koji se javljaju i koji su neizbjeni. Na cilj je da te gubitke pokuamo smanjiti i samim time poveati iskoristivost samog procesa i cijelog postrojenja uopte.

Slika 2. Presjek termoelektrane

Istorijat1629. imamo prvu ideju o koritenju vodene pare za pokretanje kola s lopaticama.

Ideju je iznio Giovanni Branca u svojoj knjizi Le machine. Ideja takvog stroja je sa parom koja je slobodno strujala prema kolu s lopaticama. Sam stroj izgledao je kao vodeni mlin samo to je bio pokretan parom.

Naravno revolucija je uslijedila kada je James Watt izumio parni stroj (1765.) koji je radio s pretlakom (Slika 3). U proces je bila ukljuena i kondenzacija.

To su temelji i savremenih termoenergetskih postrojenja.

emu moemo zahvaliti razvoj parnih postrojenja? Para kao medij je izuzetno zahvalna kod prenosa energije. Parametri postrojenja su se mijenjali kroz povijest. Tlak, posebno temperatura rasli su kroz godine. Od nekih 15 bara i 300 0C doli smo do dananjih 100-tinjak bara i oko 600 0C. Koliina pare se poveava, a samim time i snaga postrojenja. Tako smanjujemo i potronju goriva i podiemo iskoristivost. Tu se sad javljaju jo i pregrijai i meupregrijai koji jo vie pridonose poveanju iskoristivosti. Nova revolucija nastaje razvojem takozvanih blok postrojenja (kotao i turbina su jedan zatvoreni upravljaki krug).

Slika 3.Parni stroj Jamesa Watta

Plinska turbina dolazi mnogo kasnije, poetkom 20. stoljea. Danas imamo situaciju da se oko 80% elektrine energije u industrijski razvijenim zemljama dobiva iz termoenergetskih izvora (tu naravno ubrajamo i plinska, ali i nuklearna postrojenja). U modernom drutvu potreba za elektrinom energijom raste, a samim time raste i potronja elektrine energije po stanovniku, to je ujedno i pokazatelj industrijskog razvitka pojedine zemlje. Osim to proizvode elektrinu energiju termoenergetska postrojenja slue i za proizvodnju topline koja je takoer itekako bitna u krajevima gdje je potrebno grijanje. Vanost ovakvih postrojenja raste iz dana u dan bez obzira na nove izvore i naine proizvodnje elektrine energije.

Naravno, u svemu tome raste i optereenje na okoli to je pitanje kojim se takoer moramo aktivno pozabaviti kad govorimo o termoelektranama.Na projektiranju, izgradnji, radu i odravanju jedne termoelektrane sudjeluje velika grupa ljudi, ininjera razliitih struka. Svi ti ljudi objedinjuju iroki spektara znanja potrebnih da se obave svi zadaci i osigura nesmetan rad jedne elektrane.

Snaga bloka

Snaga termoenergetskog bloka obino raste kao bismo smanjili specifine investicijske trokove (Eur\kW). Investicija ipak predstavlja vanu stavku u cijeni elektrine energije. Kroz zadnjih 40-tak godina proizvodnja pare je ocrtavala veliinu i snagu postrojenja. 1960-ih imali smo oko 500 t\h te preko 2000 t\h 1980-tih. Ovakav razvoj omoguen je razvojem tehnologije i materijala. U SAD-u smo imali i probne generatore koji su mogli proizvoditi i 4500 t\h pare, no pokazali su se relativno nestabilni pa su se parametri pare vratili na nie vrijednosti. Za vie od 2500t\h pare specifini investicijski trokovi dolaze u zasienje.Upravo zbog toga snage veine termoenergetskih blokova se kreu od oko 500 do 800 MW.

Parametri pare

Specifina potronja energije u MJ\kWh opisuje ekonominost termoenergetskog bloka, to je zapravo reciprona vrijednost stupnja iskoristivost. Potronja energije bitno ovisi o parametrima pare: tlaku i temperaturi.Dananje temperature svjee pare kreu se oko 540 C na tlakovima od oko 190 bara. Danas imamo i elektrane koje mogu raditi s nadkritikim tlakovima od 250-260 bara i temperaturama od oko 600 C.

Termoelektrane na ugalj i plin

Ove TE koriste fosilna goriva za izgaranje te pretvaraju dobivenu toplinsku energiju u mehaniku te se tako pokree elektrini generator i stvara se elektrina energija. Termoelektrane na fosilna goriva (ugalj, plin i petrolej) se konstruiraju u velikim razmjerima za kontinuirani rad, pa tako upravo ove TE u velikom broju drava osiguravaju najvei dio dobivanja elektrine energije. Nusprodukti TE se moraju uzeti u obzir pri konstruiranju i u samom radu. Otpadna toplina nastala iz toplinskog ciklusa se mora pustiti u atmosferu zbog konane efikasnosti sistema, esto koritenjem rashladnog tornja, rijeke ili jezera kao rashladnog sredstva (pogotovo za kondenziranu paru).Dimni plinovi nastali izgaranjem fosilnih goriva sadre ugljini dioksid, vodenu paru, i jo neke tvari kao duik, sumporne okside, azotast okside i u sluaju termoelektrane na ugljen jo pepeo. vrsti otpad pepela iz kotlova na ugljen se mora ukloniti iako se jedan dio pepela moe reciklirati i koristiti kao graevinski materijal.

Termoelektrane na ugalj, plin i petrolej emitiraju velike koliine stakleniih plinova u atmosferu i neke ih znanstvene organizacije smatraju velikim "krivcima" globalnog zatopljenja u zadnjih 100 godina. Mrki uglje neemitira tri puta vie staklenikih plinova nego prirodni plinPostoje nastojanja da se pone koristiti hvatanje i skladitenje tih plinova, ali se ne oekuje da e bit u komercijalno i ekonomski dostupan prije 2020. godine, ako i tad.

Kogeneracija: simultana proizvodnja elektrine energije itoplinske energije za grijanje vanjskih potroaaTrigeneracija: simultana proizvodnja elektrine energije i toplinske energije za grijanje i absorpcijsko hlaenje vanjskihpotroaa

Nacionalne prednosti: uteda goriva 25-30% uteda gubitaka mree 5-10% sigurnost napajanja koritenje lokalnih gorivasmanjenje emisije plinova

Korisnike prednosti:smanjenje kupovine energijeprodaja vikova energijesigurnost napajanjazbrinjavanje otpadaprodaja nusprodukata

EC smjerniceUteda primarne energije:- nove kogeneracije min. 10%- postojee kogeneracije min. 5%- postrojenja do 1 MWe do 5%

Npr. Munje su primjer plazme u Zemljinoj atmosferi. Obino, munja stvara 30 000 Ampera i oko 100 000 000 Volta, emitira svjetlo, radio valove, rendgenske zrake, pa ak i gama-estice.[9] Temperatura plazme kod munja moe dostii ~28 000 Kelvina i gustou elektrona moe prei 1024 mPPlazma se moe opisati kao elektriki neutralno stanje materijala, sa jednakim brojem negativnih i pozitivnih elektriki nabijenih estica. Vano je napomenuti da iako su estice nevezane, one nisu slobodne. Kada se elektriki nabijene estice kreu, one stvaraju elektrinu struju i magnetsko polje, i kao rezultat, meusobno djeluju sa drugim elektrinim i magnetskim poljima.Plazma (elektrini nabijeni plin) dobar vodi el.energije

Da bi plazma nastala, potrebna je ionizacija. Pod pojmom gustoa plazme obino se misli na gustou elektrona, ili broj slobodnih iona po jedinici volumena. Stupanj ionizacije plazme je broj atoma koji su izgubili elektrone, a obino ovisi o temperaturi. ak i djelomino ionizirani plin, recimo sa 1% ioniziranih atoma moe imati svojstva plazme (odgovor na vanjsko magnetno polje i elektrina provodljivost).

Nuklearne elektraneGorivni elementi reaktora, u kojima se odvija proces fisije i u kojima se neposredno oslobaa tolinska energija, imaju najviu temperaturu u NE. Sam stupanj djelovanja toplinskog ciklusa ovisi o prosjenoj temperaturi rashladnog fluida (po drugom zakonu termodinamike stupanj djelovanja je to vei to je via temperatura toplijeg spremnika). Od interesa je to vie pribliiti prosjenu i maksimalnu temperaturu rashladnog fluida, odnosno to vie smanjiti porast temperature rashladnog fluida u reaktoru. Sigurnost nuklearnog postrojenja i okoline je ograniavajui faktor za iznos temperature nuklearnog goriva i rashladnog sredstva, ime posredno ograniava i stupanj djelovanja NEStupanj djelovanja NE je uvijek manji od stupnja djelovanja TE jednake snage. NE proizvode oko 17% svjetske elektrine energije. U svijetu postoji oko 400 nuklearnih elektrana (prema podacima International Atomic Energy Agency

Nuklearna elektrana u pogonu

Postoje nekoliko tipova NE ija je razlika u vrsti primarnog postrojenja (reaktorskog), koje se odnosi na reaktor, elemente primarnog kruga i na pomone sustave reaktora, jer je sekundarno postrojenje, kojem pripada turbinsko i elektrino postrojenje elektrane, kod svih naelno isto. Osnovni materijali po kojima se nuklearni reaktori razlikuju su: Nuklearno gorivo prirodni ili obogaeni uran (umjesto obogaenog urana moe se djelomino koristiti i plutonij) metalni uran oksid urana

Moderator obina voda teka voda grafit Rashladni fluid obina voda teka voda CO2 helij tekui metal

Tipovi nuklearnih elektrana

Tipovi nuklearnih elektrana, tj. reaktorski tipovi: 1. Reaktor hlaen i moderiran obinom vodom Ovaj reaktor se izvodi u dvije varijante: a) Voda u reaktoru ima tlak vii od tlaka zasienja Takav reaktor je poznat kao tlakovodni reaktor: U zapadnim zemljama oznaava se kraticom PWR (Pressurized Water Reactor, a u bivem Sovjetskom Savezu kraticom VVER - vodo-vodnoj energetieskij reaktor).Ovog tipa je reaktor u NE Krko. Gorivo reaktora: oksid obogaenog urana

Shematski prikaz PWR reaktora

b) Voda u reaktoru kipi (kipui reaktor) To je reaktor tipa BWR (Boiling Water Reactor).Gorivo reaktora: oksid obogaenog urana

Reaktor hlaen i moderiran tekom vodom

Takozvani tekovodni reaktor ili HWR (Heavy Water Reactor). Izvodi se samo tip koji ima tlak vii od tlaka zasienja, tj. kao tlakovodni reaktor. Gorivo reaktora: oksid prirodnog ili obogaenog urana

Reaktor moderiran grafitom i hlaen ugljik dioksidom

To su plinom hlaeni reaktori koji se izvode u dvije verzije: a) GCR (Gas Cooled Reactor) Prva generacija ovih reaktora poznata pod nazivom magnox dobila je ime po leguri magnezija koji se upotrebljava kao materijal za obloge gorivnih ipki. Gorivo reaktora: metalni prirodni uran

Obnovljivi izvori energijeObnovljivi (alternativni) izvori energije obuhvataju energiju Sunevog zraenja (fotonaponske sisteme, toplotne kolektore), vjetro-potencijal, vodeni potencijal, geotermalnu energiju, biomasu, gorivne elije, itd. Razvoj obnovljivih izvora energije vaan je zbog nekoliko razloga:obnovljivi izvori energije imaju vrlo vanu ulogu u smanjenju emisije ugaljendioksida u atmosferu,poveanjem udjela obnovljivih izvora energije poveava se energetska odrivost sistema. Takoe pomae u poboljavanju sigurnosti dostave energije na nain da smanjuje zavisnost od uvoza energetskih sirovina i elektrine energije i oekuje se da e obnovljivi izvori energije postati ekonomski konkurentni konvencionalnim izvorima energije u bliskoj budunosti.Zbog svega navedenog neosporno je da e se neposrednoj budunosti iskoriavanje obnovljivih izvora energije znatno poveati. Zbog toga je neophodno sutinsko razumijevanje osnovnih principa korienja obnovljivih izvora energije, mogunosti njihove transformacije i primene.

Energija je glavni pokreta tehnolokog razvoja. Zahvaljujui industrijalizaciji i porastu broja stanovnika potreba za energijom iz godine u godinu eksponencijalno se poveava. Na poetku ovog stoljea obnovljivi izvori energije imaju sve veu ulogu u svjetskoj proizvodnji energije. Sve je oigledniji tetan uticaj velikog korienja fosilnih goriva na ivotnu sredinu. Veina naunika se danas slae da globalno zagrijavanje izazvano isputanjem ugljendioksida stvarno postoji i da izaziva ozbiljne klimatske posljedice.

Energija vjetraEnergija vjetra je transformisani oblik suneve energije. Sunce neravnomijerno zagrijava razliite dijelove Zemlje i to rezultuje razliitim pritiscima vazduha, zbog ega dolazi do nastanka vjetra. Postoje dijelovi Zemlje na kojima puu stalni vjetrovi i na tim podrujima je iskoriavanje energije vjetra najisplativije.Dobre pozicije su obale okeana i puina mora. Kod eksploatacije energije vjetra iskoriava se kinetika energija vetra koja struji kroz odreenu povrinu normalnu na pravac strujanja. Albert Betz, njemaki fiziar dao je jo davne 1919. godine zakon energije vetra. Njime je dat kvalitativni aspekt znanja iz mogunosti iskoriavanja energije vjetra i turbina na vetar.Na slici prikazan je izvod iz Flash animacije o radu turbine na vetar. U animaciji je prikazan princip konverzije energije vetra u elektrinu energiju, koja se preko elektrine mree prenosi do potroaa.

http://www1.eere.energy.gov/windandhydro/wind_animation.htmlhttp://www.youtube.com/watch?v=2B2IgB2n4AQ&feature=related

Vjetroelektrane

Pojam vjetroelektrana podrazumijeva sistem za transformaciju (pretvorbu) gibajue zrane mase, odnosno vjetra u elektrinu energiju. Dakle, unutar kompleksne problematike vjetrenjaa vrlo znaajno mjesto zauzima vjetar i vjetropotencijal kao jedan od preduvjeta funkcionalnosti takvog sistema. Vjetar kao energetski resurs karakterizira promjenjivost i nemogunost uskladitenja to za sobom posljedino povlai potrebu za definiranjem uvjeta pogona (vjetroenergetskog sustava unutar elektroenergetskog sustava). Budui da kinetika energija vjetra ovisi o kvadratu brzine, a snaga vjetroelektrane je proporcionalna povrini lopatica i treoj potenciji brzine vjetra, promjena brzine vjetra uzrokovat e dakle promjenu aerodinamike snage, odnosno prema jednadbi gibanja promjenu elektrine snage koju generator injektira u mreu.

Brzina vjetra mjeri se anemometrom. Pri analizi stabilnosti vjetroelektrane dominantan je model promjene brzine strujanja vjetra. Kod provoenja prorauna, uglavnom se pretpostavlja da brzina vjetra u najsloenijom obliku ima 4 komponente: osnovnu komponentu brzine vjetra (eng. base), komponentu linearne promjene brzine vjetra (eng. ramp), komponentu udarne promjene brzine vjetra(eng. gust) i komponentu promjene brzine vjetra koja je podlona umu (eng. noise).Budui da do visine 200m postoje tehnika rjeenja koja kinetiku energiju gibanja zranih masa tj. vjetra pretvaraju u elektrinu energiju, mogue je koristiti naziv tehniki vjetar.

Struja tog vjetra poremeena je razliitim utjecajima kao to su turbulencija (mehaniki i termiki uvjetovana lokalna nepravilna gibanja), hrapavost povrine, dnevni i noni temperaturni gradijent, topografija terena ( prepreke, uzvisine, graevine i slino) i vanjski poremeaji (silazna strujanja od oluja). Navedene prepreke na koje vjetar nastrujava na putu do vjetroturbine, dakle ometaju strujanje i openito umanjuju vjetropotencijale. Prilikom postavljanja vjetrenjaa potrebno je izvriti dodatni proraun vjetropotencijala (korekciju vjetropotencijala) na mjestima udaljenim od mjernih postaja, jer podaci o vjetropotencijalu (dobiveni dugotrajnim mjerenjima) na jednom mjestu nisu isti i na nekom drugom mjestu ak i ako je relativno mala njihova meusobna udaljenost.

Zbog turbulentnog karaktera strujanja vjetra potrebno je izvriti osrednjavanje prikupljenih podataka o brzinama vjetra u odreenom vremenu ( u praksi klimatologije iznosi 1h, a u sinoptikoj praksi 10 min).Mjerenja brzine vjetra se najee vre na visini od 10m. Viegodinji prikupljeni podaci se najbolje aproksimiraju Weibullovom funkcijom (razdiobom) koja daje vjerojatnost pojave vjetra f(v) tijekom nekog vremenskog perioda.

Vrste vjetrenjaa i njihova primjena

Vjetroturbina moe imati jednu ili vie elisa. Njezinim koritenjem transformira se energija vjetra u mehaniku energiju.Najee rjeenje predstavlja izvedba s tri elise (s obzirom na razinu buke i vizualni efekt). Vjetroturbine se mogu podijeliti prema razliitim kriterijima ovisno o: poloaju osi turbinskog kola: vjetroturbine s vodoravnom osi i okomitom osi. omjeru brzine najudaljenije take rotora i brzine vjetra: brzohodne i sporohodne. broju lopatica: vielopatine, s nekoliko lopatica i s jednom lopaticom. veliini zakretnog momenta: visokomomentne i niskomomentne. nainu pokretanja: samokretne i nesamokretne. efikasnosti pretvorbe energije vjetra u zakretni moment: nisko i visoko efikasne. nainu okretanja rotora prema brzini vjetra: promjenjive i nepromjenjive

Izvedbe vjetrenjaa s vodoravnim vratilom, brzohodne s dvije do etiri lopatice predstavljaju klasine vjetrenjae, odnosno najvee i ope prihvaene vrste vjetroturbina koje se koriste za proizvodnju elektrine energije. One se najee nalaze u serijskoj proizvodnji, a i konstrukcijski su najvie napredovale dok su ostali tipovi primjenjivi u manjem broju ( vie kao eksperimentalna postrojenja ili kao npr. vielopatine vjetrenjae koje se koriste za crpljenje vode zbog velikog torzijskog momenta koji stvaraju).U vjetroelektranama europskih zemalja i Kalifornije najee su koritene brzohodne vjetroturbine, okomitog vratila te propelera s dvije do tri lopatice, snage od 500 do 1500 kW.

Dijelovi vjetroturbinskog - generatorskog sustava i njihova funkcijaSegmenti turbine : (1) rotor (2) konice (3) upravljaki i nadzorni sustav (4) generator (5) zakretnik (6) kuite (7) stup (8) temelj (9) transformator (10) posebna oprema (11) prijenosnik snage

Vjetroturbina i generator su spojeni pomou mehanike spojke za koju se najee podrazumijeva da u sebi ima mjenjaku kutiju s prijenosnikom.Prijenosnik, kao to je ve reeno, ima funkciju prilagoavanja nie brzine vrtnje rotora vjetroturbine vioj brzini vrtnje rotora generatora. Ukoliko su generatori viepolni niskobrzinski i po mogunosti sinkroni s uzbudnim namotom ili uzbudnim permanentnim magnetima, mehaniki prijenosnik nije potreban (to je sluaj kod vjetroturbina novijeg dizajna). Iznos snage pretvorbe vjetroturbine regulira se pomou sistema za upravljanje kutom zakreta elise (eng. pitch regulated), koji takoer moe postojati unutar opreme nekih vjetroturbina ali i ne mora. Koritenjem tog regulacijskog mehanizma elisa se zakree oko svoje due osi i omoguuje smanjenje mehanike snage, ovisno o karakteristikama vjetroturbine. Ako vjetroturbina nema regulacijski sistem zakretanja, naglasak se stavlja na konstrukciju elisa koje se projektiraju prema aerodinamikom efektu - tako je, u sluaju previsokih brzina vjetra, vjetroturbina zatiena od povienja snage.

Mrea

Prema vrsti prikljuenja na mreu vjetroelektrane se mogu podijeliti na: (izvor: CIGRE) 1. Vjetroelektrane izravno prikljuene na mreu i u izvedbi sa stalnom brzinom vrtnje: a) Vjetroturbina s asinhronim generatorom Asinkroni generatori se najee koriste kada je vjetroelektrana prikljuena na krutu mreu. Krutu mreu karakterizira velika naponska i frekvencijska krutost. Osnovna prednost im je jednostavnija i jeftinija konstrukcija, iako s druge strane moraju imati kompenzacijski ureaj (uglavnom uklopive kondenzatorske baterije) i prikljuni ureaj kako bi se omoguilo poetnu sinkronizaciju s mreom (eng. soft. starter).

b) Vjetroturbina sa sinhronim generatorom Sinkroni generatori se najee primjenjuju za pretpostavljene uvjete otonog pogona. Ovdje su potrebni uzbudni sustav i regulator brzine koji e odravati napon i frekvenciju. Ovakvi generatori ne mogu se pronai u komercijalnim izvedbama sa stalnom brzinom u pogonu na krutu mreu. Kod vjetroturbina nazivnih snaga veih od 500 kW naroito je izraena potreba za ukljuivanjem sustava za regulaciju kuta zakretanja elise propelera, to inae nije sluaj, pa tako da se spomenuti sustav ne izvodi u svim jedinicama. 2. Vjetroelektrane u izvedbi s promjenjivom ili djelomino promjenjivom brzinom vrtnje: a) Sinhroni ili asinhroni generator s pretvaraem u glavnom strujnom krugu c) Asinhroni generator s upravljivim promjenljivim klizanjem c) Asinhroni generator s nadsinkronom ili podsinkronom pretvarakom kaskadom

Vjetroelektrane s vjetroturbinama iji je raspon nazivnih snaga izmeu 50 kW i 1500 kW, najee su izvedene s asinkronim generatorom izravno prikljuenim na mreu, dok je prikljuak sinkronog generatora na mreu koriten kod nekih malih vjetroelektrana, koje su uglavnom u samostojeim sustavima. Regulacijski sustav zakretanja elisa obino se ne izvodi kod najveih jedinica. Pogon s promjenjivom brzinom vrtnje vjetroturbine karakterizira postizanje optimizacije uinkovitosti vjetroturbine, odnosno maksimalnog iskoritenja raspoloive energije vjetra.

Vie od 85% u proizvodnji vjetroelektrana ine Njemaka, Danska i panjolska, ime zauzimaju na tom podruju zaslueno dominantno mjesto. Prema istraivanjima Global Wind Energy Council (GWEC-a ) u razdoblju od 1993. do 2003. prosjena stopa rasta instalirane snage je bila 31% u svijetu, a 32% u EU dok je krajem 2004. godine instalirana snaga vjetroelektrana u svijetu iznosila oko 47 GW, a u EU (koja pokriva oko 2% ukupnih potreba za elektrinom energijom) 34 GW. (Samo radi usporedbe, u Hrvatskoj je instalirana snaga vjetroelektrana iznosila ukupno 3,5 GW ).

Predvianja: prema GWEC-u do 2020. godine procjenjuje se 1240 GW ukupne instalirane snage vjetroelektrana. Dok se vrijednost industrije vjetroenergetike suvremeno kree cca. EUR i broj zaposlenih cca. 100 000, za 2020. godinu se predvia 3000 TWh godinje proizvodnje, odnosno 12% ukupne proizvodnje elektrine energije u svijetu u vrijednosti od EUR, te uz dvostruko manju cijenu opreme, odnosno izgradnje predvia se (prema GWEC-u) ukupno 2 300 000 zaposlenih. U slijedeih 10 - 15 godina procjena je da e 30 - 35% investicija u nove elektrane odlaziti u vjetroelektrane. S ekolokog aspekta i Kyoto protocola te s pozicije prihvatljivosti od strane lokalne zajednice, vjetroenergetika ima velike potencijalne mogunosti daljnjeg razvoja. Osim toga, u prilog razvoju vjetroenergetike takoer ide injenica da je potrebno vrijeme izgradnje vrlo kratko, zatim smanjivanje trokova izgradnje te zakonski definirani poticaji koji zapravo podrazumijevaju fiksne tarife, obveze otkupa, nie kamatne stope, porezne olakice i slino. Nadalje, cijene klasinih izvora elektrine energije odnosno nafte, plina i ugljena rastu.

Hidroelektrane

Hidromehaniki energetski potencijal rijenih tokova je posljedica prirodnog kretanja vode pod dejstvom toplote Sunca i gravitacionih sila. Ciklus krunog isparenja vode iz okeana, mora, jezera, reka, sa povrine tla, koja se kondenzuje i vraa u obliku padavina na povrinu zemlje, tako da se energija dobijena tehnikim koritenjem ovih ciklusa u hidroelektranama klasifikuje u grupu obnovljivih izvora energije. Energija vode predstavlja najznaajniji obnovljivi izvor energije, a ujedno i jedini koji je ekonomski konkurentan fosilnim gorivima i nuklearnoj energiji. Hidroelektrane su energetska postrojenja u kojima se potencijalna energija vode pomou turbine pretvara u mehaniku (kinetiku) energiju, koja se u elektrinom generatoru koristi za proizvodnju elektrine energije.

U posljednjih 30-ak godina proizvodnja energije u HE je utrostruena. Postoje tri osnovne vrste HE: protone, akumulacione i reverzibilne. Protone HE su one koje nemaju uzvodnu akumulaciju ili se njihova akumulacija moe isprazniti za manje od dva sata rada kod nazivne snage. U tom sluaju kinetika energija vode se koristi direktno za pokretanje turbina. Takve HE je najjednostavnije izvesti, njihov uticaj na okolini je veoma mali pri emu ne dolazi do dizanja nivoa podzemnih voda.Glavni dijelovi akumulacione HE su akumulacija, brana, zahvat, gravitacijski dovod, vodna komora, zasunska komora, cjevovod, mainska stanica i odvod vode. Postoje dve tipa akumulacionih HE: pribranska i derivacijska. Pribranska se nalazi ispod same brane, a derivacijska je smjetena nie od brane i cjevovodima je spojena na akumulacionu. Akumulacione HE su najei nain dobijanja elektrine energije iz energije vode. Problemi nastaju u ljetnjim mjesecima kad prirodni dotok postane premali za funkcionisanje elektrane.U tom sluaju se brana mora zatvoriti i potrebno je odravati nivo vode koji predstavlja bioloki minimum.

Princip rada pribranske akumulacione hidroelektranehttp://holbert.faculty.asu.edu/eee463/hydroelectric.html

Potronja elektrine energije zavisi od doba dana, dana u sedmici, godinjeg doba. Za popunjavanje piceva potronje elektrine energije grade se reverzibilne hidroelektrane. Kod njih se protok vode odvija u oba smera kroz derivacijski kanal. Kad je potronja energije mala voda se pumpa iz donjeg jezera u gornju akumulaciju. To se obino radi nou, jer je tada potronja energije najmanja. Danju sistem slui za proizvodnju elektrine energije i tada se prazni gornja akumulacija.

Slika : Princip rada reverzibilne hidroelektrane http://holbert.faculty.asu.edu/eee463/pumpedstorage.html

Utiecaji na okoli dijele se na: fizike faktore: koliina vode i kvaliteta povrinskih voda, klimatski faktori, kvaliteta zraka, geologija i seizmologija, erozija, promjena pejzaa bioloke: riblji fond, biljni i ivotinjski svijet, vodni i eko sistemi socioekonomske faktore: ljudske aktivnosti (vodoopskrba, poljoprivreda, kontrola poplava, transport-putovi), koritenje zemljita, zdravstvo te arheoloki i historijski Danas je u svijetu iskoriteno oko 25 % raspoloivog vodnog potencijala, a neiskoritena veina nalazi se u nerazvijenim zemljama. Takvo stanje je s jedne strane dobro jer se u budunosti najvei porast potronje oekuje upravo u nerazvijenim zemljama, a s druge strane pokrivanje daljnjeg porasta potronje u razvijenim zemljama bazirat e se na fosilnim i nuklearnom gorivu.

HE se znaajno koriste u proizvodnji elektrine energije iz vie razloga: Nema trokova goriva, voda je besplatna, pod uvjetom da je ima u dovoljnoj koliini. Putanje HE u pogon vrlo je brzo, te se koriste za pokrivanje naglih poveanja potronje Moderne HE mogu do 90% energije vode pretvoriti u elektrinu energiju. Ne postoji utjecaj poveanja cijene goriva, a svjedoci smo velikih poveanja u zadnjih nekoliko godina Neovisnost o uvozu goriva Hidroenergija je glavni izvor obnovljive energije i predstavlja 97% energije proizvedene svim obnovljivim izvorima elektrine energije. Hidroenergija je ista, nema otpada. Postoje doprinosi efektu staklenika (unitavanje vegetacije, truljenje), ali su u veini sluajeva zanemarivi u odnosu na termoelektrane i sl. Umjetna jezera nastala izgradnjom HE lokalno doprinose ekonomiji i omoguavaju navodnjavanje, vodoopskrbu, turizam i rekreaciju

Snaga postrojenja i proizvedena energija ovise o: Raspoloivom vodenom padu. Visina pada ovisi o visini brane, to je pad vei, postoji vei energetski potencijal. Energetski potencijal je direktno proporcionalan visini pada, tako da ista koliina vode, ukoliko pada sa dva puta vee visine proizvodi duplo vie elektrine energije. Raspoloivom protoku vode. Elektrina snaga i energija takoer su direktno proporcionalni koliini vode koja prolazi kroz turbinu. Dva puta vea koliina vode proizvest e dva puta vie elektrine energije kod iste visine vodenog pada. Ovisnost snage o navedenim veliinama izraena je sljedeim izrazom: P = eta x Q x hx x g gdje je: P - Snaga [W] eta - stupanj iskoristivosti postrojenja Q - raspoloivi protok vode [m3/s] h - raspoloivi vodeni pad [m] - gustoa vode [kg/m3] g - ubrzanje sile tee [m/s2]

Osnovne komponente klasine hidroelektrane

Brana - Veina hidroelektrana se opskrbljuje vodom iz akumulacijskih jezera. Brana predstavlja graevinu kojoj je zadaa osiguravati akumulaciju vode. Akumulacijska jezera su esto urbanizacijski tako rijeena da su ujedno i rekreacijska jezera. Ulazni presjek - Otvor na brani se otvori i kroz kontrolna vrata voda cjevovodom (najee uslijed gravitacije) dolazi do turbine odreenim masenim protokom. Turbina - Voda udara i okree lopatice turbine koja je osovinom vezana na generator. Najei tip turbina za hidroelektrane su Francisove turbine. Takve turbine tee do 172 tone i postiu brzinu vrtnje do 90 okretaja u minuti.

Osovina koja povezuje generator i transformator (Photo courtesy U.S. Bureau of Reclamation)

Generator - generator generira elektrinu energiju. U osnovi proces se sastoji od rotacije serija magneta unutar namotaja ica. Ovime se ubrzavaju elektroni, koji proizvode elektrini naboj. Broj generatora zavisi od elektrane do elektrane. Osnovni dijelovi svakog generatora su: Osovina Uzbudni namot Rotor Stator Kako se turbina okree uzbudni namot alje elektrini napon rotoru. Rotor predstavlja seriju velikih elektromagneta koji se okreu unutar gustih namotaja bakrenih ica, koje predstavljaju stator. Magnetsko polje izmeu magneta i ianih namotaja stvara elektrini napon.

Generatori elektrine energije u hidroelektrani

Transformator - Na izlazu iz elektrane poveava napon izmjenine struje (smanjujui jakost struje) da bi se smanjili gubici prijenosa energije. Dalekovodi - Iz svake elektrane vode dalekovodi, koji osim stupa dalekovoda redovito imaju i 4 vodia. Tri nose struju napona koja izlazi iz transformatora, istog iznosa i meusobno pomaknutih u fazi za 120 stupnjeva, dok etvrta predstavlja nul-vodi. Izlazni presjek - Iskoritena voda se cjevovodima vraa u donji tok rijeke.

Komponente hidroelektrane

Voda u akumulacijskom jezeru je zapravo uskladitena energija. Kada se zaslon na brani otvori voda potee kroz cjevovod poveavajui svoju kinetiku energiju. Koliina generirane elektrine energije se odreuje s nekoliko faktora. Dva najvanija faktora su maseni protok vode i raspoloivi vodeni pad. Raspoloivi vodeni pad je parametar koji oznaava udaljenost od povrine vode do turbina. Kako raspoloivi vodeni pad i maseni protok vode rastu, tako raste i koliina proizvedene struje. Raspoloivi pad je u veini sluajeva ovisan o koliini vode u akumulacijskom jezeru. Hidroelektrane su uinkovitija postrojenja od termoelektrana. Kao to je prethodno spomenuto, predstavljaju energane obnovljivih izvora energije. S tim u vezi, i s obzirom da je hidroenergija jedini obnovljivi izvor energije iz kojeg je mogue dobiti vee snage, u interesu je graditi to vie hidroelektrana. Meutim, postoje odreene prepreke. Veina pogodnih lokacija za izgradnju hidroelektrana je ve iskoritena i ostaju samo manje pogodne lokacije na kojima je smanjena uinkovitost elektrane i za iju je gradnju potrebno raditi i vee promjene u okoliu.

Hidroenergija se tradicionalno smatra istom i ekolokom. Proizvodnja elektrine energije u hidroelektranama ne zagauje atmosferu, ne pridonosi stvaranju kiselih kia i ne uzrokuje stvaranje otrovnog otpada. Ipak, gradnja hidroelektrana uzrokuje promjene u ekosustavu rijenih tokova na kojima se grade. Uinci koje hidroelektrana moe imati na ekosustav zavise o ova 4 faktora: Veliina i brzina protoka rijeke ili sl. na kojoj je hidroelektrana locirana Klimatski uvjeti i oblik sredine prije gradnje elektrane Vrsta, veliina i konstrukcija elektrane i nain na koji je pogonski voena Ako postoji vie od jedne elektrana na istoj rijeci, i ako nisu relativno blizu jedna drugoj, mogue je da uinci na ekosustav jedne elektrane su zavisni o uincima druge elektrane

Loe posljedice koje gradnja hidroelektrane moe imati na okoli su sljedee: Usporenje toka rijeke radi stvaranja akumulacijskih jezera i poveanje prosjene temperature vode Poveanje udjela duika u rijenoj vodi Sedimentacija i erozija Poplave Klimatske promjene Potencijalno poveanje tektonske aktivnosti podruja Potencijalno izumiranje nekih biljnih ili ivotinjskih vrsta Poremeenje migracije ribljih vrsta

Male hidroelektrane

Svjetski energetski trend posljednjih godina je sve vei iskorak ka obnovljivim izvorima energije. Za male hidroelektrane se smatra da nemaju nikakav tetan utjecaj na okoli, za razliku od velikih ija se tetnost opisuje kroz velike promjene ekosustava (gradnja velikih brana), utjecaji na tlo, poplavljivanje, utjecaji na slatkovodni ivi svijet, poveana emisija metana i postojanje tetnih emisija u itavom ivotnom ciklusu hidroelektrane koje su uglavnom vezane za period izgradnje elektrane, proizvodnje materijala i transport.

Danas se za tehnologiju vezanu za hidroenergiju, koja se smatra obnovljivim izvorom energije, moe rei da je tehniki najpoznatija i najrazvijenija na svjetskoj razini, sa iznimno visokim stupnjem uinkovitosti. 22% svjetske proizvodnje elektrine energije dolazi iz malih i velikih hidroelektrana. Pojam male hidroelektrane se moe promatrati sa razliitih taaka gledita i razlikuje se od zemlje do zemlje, zavisno o njezinom standardu, hidrolokim, meteorolokim, topografskim i morfolokim karakteristikama lokacije, te o stupnju tehnolokog razvoja i ekonomskom standardu zemlje.Generalno, klasifikacija hidroelektrana na velike i male se vri prema instaliranoj snazi, klasifikacija se vri od strane nacionalnih energetskih odbora. Male hidroelektrane se esto dalje kategoriziraju u male, mini i mikro hidroele

Tablica 2. kategorizacija malih hidroelektrana u nekim zemljama

Zemlja micro mini male [kW] [kW] [MW] SAD

Tablica 3. Instalirana snaga i hidropotencijal na svjetskoj razini

Svjetski izvori Instalirana snaga hidroelektrana Instalirana snaga malih hidroelektrana 680 GW 47GW Hidroenergetski potencijal Hidroenergetski potencijal za male hidroelektrane 3000 GW 180 GW

Male hidroelektrane predstavljaju kombinaciju prednosti proizvodnje elektrine energije iz energije hidropotencijala i decentralizirane proizvodnje elektrine energije, dok istovremeno ne pokazuju negativan utjecaj na okoli kao velike hidroelektrane. U usporedbi sa velikim neke od prednosti malih hidroelektrana su sljedee: gotovo da nemaju nedostataka nema troka distribucije elektrine energije nema negativnog utjecaja na ekosustav kao kod velikih hidroelektrana jeftino odravanje

Glavni dijelovi malih hidroelektrana su sljedee strukture i ureaji: graevinski objekti hidromehanika oprema elektrostrojarska oprema prikljuak na dalekovodnu mreu

Princip sistema male hidroelektrane

Uticaj na okoli

Male hidroelektrane, u sluaju da su izbor lokacije i tehnolokog rjeenja primjereni, nema gotovo nikakvih tetnih utjecaja na okoli. Ako taj utjecaj i postoji, onda je on toliko mali da ne moe biti mjerljiv i ne moe se sa sigurnou pripisati postojanju i radu male hidroelektrane, a ne nekom drugom od moguih utjecaja. Prednosti iskoritenja energije vodotokova se u prvom redu oituju u eliminiranju emisija tetnih plinova u atmosferu koju susreemo kod energana na fosilna goriva. Dok je kod velikih hidroelektrana, kao posljedica gradnje velike brane sa zatitnim mreama koje se nalaze prije ulaska u turbinski dovodni kanal ipak prisutna emisija metana zbog zadravanja ive tvari na zatitnoj mrei koja tamo truli i emitira metan kao posljedicu procesa raspada organske materije, kod malih hidroelektrana brane su male, preljevne, a u sluaju, tzv., tirolskog zahvata kanal ne smije sadravati zatitnu mreu i voda sa svim tvarima koje nosi sa sobom u nepromijenjenom sadraju struji kanalom. Ovakva filozofija gradnje i tehnologija u potpunosti iskljuuje ikakve tetne emisije u atmosferu. riziku od pogrenog gospodarenja vodenim resursima nedostatku biolokog minimuma koliine vode utjecaju na floru i faunu Takoer bi trebalo posebno naglasiti doprinos takvih postrojenja razvitku gospodarstva, pogotovo u nerazvijenim i dislociranim podrujima.

Procjena je da male hidroelektrane, instalirane snage od cca 5 MW, godinjom produkcijom energije zamjenjuju oko 1400 toe fosilnih goriva, a time i smanjuju emisiju staklenikih plinova u koliini od 16 000 tona CO2 i 1100 tona SO2 godinje. Zagaenje bukom je ispod svih minimalnih propisanih i predloenih razina zbog sofisticirane tehnologije koja je danas postala pravilo pri konstruiranju strojarnice male hidroelektrane. Ipak, pri planiranju gradnje male hidroelektrane posebnu pozornost treba posvetiti: adekvatnom izboru lokacija malih hidroelektrana protoku vode

Pogonski trokovi i mogui problemi pri provedbi projekta

Svako energetsko postrojenje, osim proizvodnje energije, takoer koristi i energiju za vlastiti rad. Ti trokovi se nazivaju pogonskim trokovima. Kod vodoopskrbnih sustava u cjevovodima hidraulika snaga, koja se manifestira porastom tlaka anulira se prigunim elementima koji su potroai energije. Nadalje, samo priguenje tlaka moe se takoer dobiti postavljanjem turbina na pogodna mjesta u cjevovodu i time je iz vodoopskrbnog cjevovoda mogue dobiti dio energije potrebne za, npr., pogon pumpi. Ako je mogue dobiti suviak energije, ta energija se moe dalje eksploatirati ili prodavati, ime se minimiziraju pogonski trokovi postrojenja i dodatno proizvodi korisna energija uz ekonomske beneficije. Dodatni problem predstavljaju esti nerijeeni imovinsko-pravni odnosi na potencijalnim lokacijama izgradnje malih hidroelektrana ili implementacije istih u vodoopskrbne sisteme,kao i nerijeena katastarska pitanja i njihovo sporo rjeavanje.

Solarna energijaPrijemnici suneve energije su sistemi koji su izloeni dejstvu Sunca i primaju deo dozraene energije koju transformiu u druge oblike energije. Na dananjem stepenu saznanja i poznavanja problematike korienja energije sunevog zraenja, kao i dostignutog nivoa tehnologije, tehnikim sistemima se mogu smatrati prijemnici za toplotnu i elektrinu konverziju suneve energije. Na slici 2. dat je izvod iz animacije u kojoj su dati osnovni principi dobijanja i mogunosti korienja suneve energije. U animaciji je data analiza promene inteziteta sunevog zraenja koje dospeva na povrinu zemlje usled promene rastojanja izmeu Zemlje i Sunca, Dati su i grafiki prikazi i jednaine za izraunavanje osnovnih geometrijskih i energetskih parametara sunevog zraenja, kao i primeri sistema za konverziju suneve energije u elektrinu energiju.

Slika 2: Postrojenje za dobijanje elektrine energije iz suneve energije http://holbert.faculty.asu.edu/eee463/solarenergy.html

Direktno pretvaranje energije fotona suneve svetlosti u elektrinu energiju obavlja se u fotonaponskom procesu u solarnim elijama. Na slici 3. dat je izvod iz animacije u kojoj je data analiza rada solarne elije. Vrlo tanke ploice (npr. kristala silicijuma sa primesom arsena) izloene zraenju Sunca ponaaju se kao puluprovodniki spoj. Pri interakciji svetlosnih fotona sa elektronima u atomskom omotau dolazi do emisije elektrona, ime se stvara viak negativnog, a na drugoj viak pozitivnog naelektrisanja usled ega nastaje protok elektrine energije - struje.

Slika 3: Princip rada solarne elijehttp://www.energex.com.au/switched_on/power_up/photovoltaic.html

Pod geotermalnom energijom se podrazumeva toplota kojom raspolae Zemlja u slojevima ispod njene povrine, a iji intenzitet temperature raste sa dubinom - udaljenou od povrine. Toplotni fluks dejstva geotermalne energije nije svuda isti. Dananje tehnologije za proizvodnju elektrine iz geotermalne energije baziraju na korienju pregrejane i suvozasiene pare, odnosno vrele termalne vode i vlane vodene pare malog stepena suvoe. Za tu namenu potrebni su geotermalni izvori iz kojih istie dovoljno zagrejan fluid koji se dobija iz buotina.

Slika 6: Postrojenje za proizvodnju elektrine energije iz geotermalne energijehttp://holbert.faculty.asu.edu/eee463/hydrothermal.html

Energija se moe pretvoriti u oblik koji je potreban u drugom prirodnom procesu ili stroju te da omogui pogodnosti u drutvu poput grijanja, rasvjete ili kretanja. Na primjer, motor s unutarnjim izgaranjem pretvara potencijalnu kemijsku energiju goriva i zraka u mehaniku energiju koja omoguava gibanje vozila ili kao to solarne elije pretvaraju sunevu energiju u elektrinu kojom se pali svjetlo ili napaja raunalo. Opi naziv za ureaj koji pretvara energiju iz jednog oblika u drugi je pretvara.

***