osnove energetike (1. dio)

8/13/2019 Osnove Energetike (1. dio)

1/114

1

89

2. NEOBNOVLJIVI OBLICI ENERGIJE2. NEOBNOVLJIVI OBLICI ENERGIJE2.1. Energetske pretvorbe goriva

2.1.1. Definicija rezervi

2.1.2. Izgaranje (pretvorba kemijske energije u toplinsku)

2.1.3. Pretvorba toplinske energije u mehaniku

2.2. Fosilna goriva2.2.1. Ugljen i treset

2.2.2. Nafta i zemni plin

2.2.3. Fosilna goriva (dodatno)

2.3. Nuklearna goriva2.3.1. Fisija

2.3.2. Fuzija (dodatno)

2.4. Geotermalna energija

90

Prirodni (primarni) oblici energije

NEOBNOVLJIVI

Fosilna goriva

(ugljen, nafta, zemni plin, uljnikriljevci)

Nuklearna goriva

Unutarnja toplina Zemlje(geotermalna energija)

OBNOVLJIVI

Drvo i otpaci

Biomase i bioplinVodne snage

Energija Suneva zraenjaEnergija vjetra

Energija morskih struja i valovaEnergija plime i oseke


2/114

2

91

2.1. Energetske pretvorbe goriva

2.1.1. Definicija rezervi

92

Definicija rezervi

Pod rezervama neke iskoristive materije podrazumijeva se dovoljnakoncentracijanastala djelovanjem geolokih i fizikalno-kemijskih faktora

Svi kemijski elementi rasprostranjeni su u i na Zemlji ali se samo njihovakoncentracija moe oznaiti kao rezerve

Veinu oblika energije koji se ne obnavljaju mogue je nagomilati (uskladititi)u prirodnom obliku(fosilna i nuklearna goriva). Izuzetak je geotermalnaenergija (vruih izvora i unutarnje topline zemlje)

Posljedica: mogu se koristiti prema potrebama potroaa i lako setransportiraju!

Najvei dio rezervi neobnovljivih izvora energije nalazi se ispod Zemljinepovrine, a manji na povrini, pa utvrivanje rezervi nije niti jednoznano, nitijednostrano.

Postupak utvrivanja rezervi vezan je za buenja u zemljinoj kori, pa surezerve ograniene, ma koliko velike bile!


3/114

3

93

Ukupne ili geoloke rezerve sastoje se od:

1. Utvrenih (dokazane, eng. proven)2. Potencijalnih rezervi

Utvrene ili otkrivene geoloke rezerve dijele se na:

1. Bilanne ili iskoristive(eng, recoverable):

rezerve utvrene u leitu, a koje se mogu dobiti uz postojeu tehniku itehnologiju uz isplativu uporabu

2. Izvanbilanne ili neiskoristive (eng. non-recoverable):

mase u leitu koje se ne mogu isplativo iskoristiti s postojeom tehnikom itehnologijom, npr. mala koliina, debljina sloja, velika dubina i sl.

Potencijalne rezerveutvruju se na osnovi geolokih i geofizikih podataka idjelomino provedenih istranih radova, a slue iskljuivo za planiranjeosnovnih geolokih istraivanja. One se ne razvrstavaju u klase.

94

Rezerve - uobiajene jedinice

Tona ekvivalentnog ugljena (Tonne of Coal Equivalent, [tce])

Energija nastala izgaranjem 1 metrike tone (1000 kilograma) ugljena,ekvivalentna energiji nastaloj izgaranjem 5.2 barela (700 kilograma) nafte ili 890m3prirodnog plina

1 [tce] = 29,39 [GJ] = 8,14 [MWh]

Tona ekvivalentne nafte (Tonne of Oil Equivalent, [toe])Energija nastala izgaranjem 1 metrike tone (1000 kilograma) nafte, tj. 7.4barela, ekvivalentna energiji nastaloj izgaranjem 1400 kilograma ugljena ili1270 m3prirodnog plina

1 [toe] = 41,87 [GJ] = 11,63 [MWh]

Posebne jedinice za naftu:

1 [bbl] barel nafte = 158.987295 [l]1 US gallon = 3.78541178 [l]1 Imperial (UK) gallon = 4.54609 [l]


4/114

4

95

Pretvorbe kemijske energija goriva

Najee se transformira u unutarnju (toplinsku) energiju.

Mogua je i neposredna transformacija u elektrinu energiju (goriveelije). Ponekad se iskoritava i kao kemijska energija (metalurkikoks).

Izgaranje:proces transformacije kemijske energije u unutarnju energiju(neposredna upotreba: za grijanje prostorija, kuhanje, pripremu toplevode, za tehnoloke procese kad su potrebne visoke temperature(keramika, metalurka, cementna industrija i sl.) - nosioci energijeplinovi izgaranja.

Loita:postrojenja i ureaji za neposredno iskoritavanje unutarnjeenergije: unutarnju energiju nosilac predaje okolnom zraku, vodi,sirovinama ili poluproizvodima u tehnolokim procesima.

96

2.1. Uvod2.1.2. Izgaranje


5/114

5

97

Izgaranje

Pretvorba kemijske energije (goriva) u unutarnju toplinskuenergiju (nosioca)

Ako se nekom tijelu ili sustavu dovede energija, ona se nagomilava, atako nagomilana energija naziva se unutarnjom toplinskomenergijom. Unutarnja toplinska energija sastoji se od kinetikeenergije molekula koje se gibaju i potencijalne energije molekula kojaje posljedica privlanih i odbojnih sila.

Proces transformacije kemijske energije u unutarnju energiju nazivase izgaranjem. Odvija se u loitu.

Uporaba unutarnje termike energije:

1. Izravna (neposredna):

Za grijanje prostorija, kuhanje, pripremu tople vode, za tehnolokeprocese kad su potrebne visoke temperature (obrada stakla,keramike, cementa, metala, plastike i sl.). Nosioci topline plinoviizgaranja.

98

2. Neizravna (posredna):

Energija plinova izgaranja moe se potom pretvoriti u mehanikuenergijuu plinskim turbinama i motorima s unutar. izgaranjem.

Nadalje, prijelazom topline u parnim kotlovima predati vodi, odnosnovodenoj pari(novi nosioc energije). Zagrijana vodena para slui zapogon parnih turbinau kojima se unutarnja energija paretransformira u mehaniku energiju (preko kinetike energije).

Izgaranje je kemijska reakcija oksidacije gorivih sastojaka skisikom iz zraka uz istovremenu pojavu topline i svjetlosti.

Radi se o izmjeni tvari pri emu,u broj atoma ostaje nepromijenjen(zakon o odranju mase).

Energetska jednadba izgaranja temelji se na prvom stavkutermodinamike: E=const. (zakon o. energije).


6/114

6

99

Proces izgaranja:

1. Zagrijavanje i suenje,2. Destilacija (isparavanje) hlapljivih sastojaka piroliza,3. Izgaranje hlapljivih sastojaka,4. Izgaranje vrstog ugljika

Uvjeti izgaranja:

1. U loitu treba biti dovoljno visoka temperatura za paljenje goriva2. Povoljan omjer mjeanja goriva i zraka3. Odgovarajue pripremljeno gorivo4. Dovoljno vremena za izgaranje

Volumni udio kisika u zraku je 21%, to je plin koji ne gori, ali podravagorenje.

Mnoina tvari n definira se u (mol), molarna masa M u (kg/mol)Znajui masene udjele pojedinih sastavnih tvari u gorivu, svakisastojak odreuje se koliinom u (kmol/kg), te se mogu se odreditiminimalne potrebne koliine kisika/zraka za potpuno izgaranje.

100

Koliine sastojaka (elemenata) oznaavaju se malim slovima, tako davrijedi c+h+s+o+n+w+a = 1.

Minimalna koliina kisika omin i zraka zminpotrebna za potpunoizgaranje iznosi:

Jednadba za izraunavanje minimalne koliine kisika za izgaranjekrutih i tekuih goriva je

kgkmoloshc

o /3232412

min +++=

kgkmolo

z /2.0

min

min =

kgmoshco /7,07,06,5867,1 3

min ++=


7/114

7

101

Stehiometrijski odnosi izgaranja

Avogadrov zakon:svi plinovi pri istom tlaku, temperaturi i volumenuimaju jednak broj molekula N = 6.02251023 1/mol.

Pri izgaranju se oslobaa odreena koliina topline.

Stehiometrijski odnosi izgaranja (vezani uz ugljen, naftu i prirodni plin):

a) vodika: 1kmol H2 + 0.5 kmol O2 = 1kmol H2O + 240 MJ/kmol

b) ugljika: 1kmol C + 0.5 kmol O2 = 1kmol CO + 123.8 MJ/kmol

1 kmol C + 1kmol O2= 1kmol CO2+ 407 MJ/kmol

1kmol CO + 0.5 kmol O2= 1kmol CO2+ 283.2 MJ/kmol

c) sumpora:1kmol S + 1kmol O2= 1kmol SO2+ 297 MJ/kmol

1kmol SO2+ 0.5 kmol O2= 1kmol SO3+398 MJ/kmol

102

d) ugljikovodika:

1kmol CmHn+ (m+0.25n) kmol O2= m kmol CO2+ 0.5 n kmol H2O + Q

Koliina osloboene topline Q pri izgaranju ugljikovodika ovisi onjegovom kemijskom spoju, npr.:

Metan CH 4 Q = 804.2 MJ/kmolEtan C 2H6 Q = 1444.8 MJ/kmolPropan C 3H8 Q = 2083.2 MJ/kmolButan C 4H10 Q = 2773.1 MJ/kmol

Loita i temperature izgaranja

Ovisno o konstrukciji loita razlikuje se teorijska i stvarnatemperatura izgaranja

1. Teorijska: izgaranje u toplinski izoliranom sustavu, plinoviizgaranja dostiu vrlo visoku temperaturu od cjelokupne toplineosloboene izgaranjem2. Stvarna: nia jer se dio topline goriva predaje okolini(okolnommediju) radi postojanja temperaturne razlike


8/114

8

103

Unutarnja energija plinova izgaranja moe se, dalje, prijelazom

topline u parnim kotlovima predati vodi, odnosno vodenoj pari:1. Grijanjeprostorija ili u tehnolokim procesina kad su potrebnerelativno niske temperature (do nekoliko stotinaC),

2. Za pogon parnih turbinau kojima se unutarnja energija parekonano transformira u mehaniku (preko kinetike).

Parne termoelektrane i Nuklearne termoelektrane

Unutarnja energija plinova izgaranja moe se i neposrednopretvoriti u mehaniku energiju u plinskim turbinamai

motorimas unutarnjim izgaranjem.Plinske termoelektrane

104

2.1. Uvod2.1.3. Pretvorba toplinske energije u mehaniku


9/114

9

105

Pretvorba unutarnje toplinske energije (nosioca) u mehaniku

Plinovi i pare su mediji (nosioci) energijekoji slue za prijenosunutarnje toplinske energije u mehaniku energiju.Svi su procesi ukojima se odvijaju energetske pretvorbe, povezani s promjenamastanja radnog medija (nosioca energije).

Termika jednadba stanja

- slui za opisivanje jednostavnih termodinamikih procesa

-povezuje tri unutarnje veliine stanja za definiranje homogenogprocesa:

tlak p, volumen V (relat. volumen po jedinici mase, v) itemperaturu T.

U implicitnom obliku za homogeni proces:

( ) 0,, =TvpF

106

Samo za idealne plinove i realne plinove pri veoma niskimtlakovima termika jednadba stanja poprima jednostavni oblik:

R univerzalna plinska konstanta = 8.314 J/kmol,K

n mnoina tvari (kmol), ovisno o vrsti plinaTRnvp =

.konstT =

.konstp =

.konstV =

p

v

T

( ) 0,, =TVpF

Povrina stanjaidealnog plina up-V-T prostoru


10/114

10

107

Entropija i specifina toplina

Pojam entropije usko je povezan s drugim glavnim stavkomtermodinamike. Diferencijal entropije (dS) i diferencijal specifineentropije (ds) u odnosu na jedinicu mase definiraju se kao:

dQ12 promjena topline pri prijelazu iz stanja 1 u 2, dWR rad siletrenja

U idealnim uvjetima (bez trenja) govorimo o pojmu specifina toplina(toplinski kapacitet) c: koliina topline potrebna da bi se temperatura 1kg tvari poveala za 1 K:

Razlikuje se specifina toplina cvpri konstantnom volumenu i prikonstatnom tlaku cp

]/[12 KJT

dWdQdS R

+= ],/[ KkgJ

T

dwdq

m

dSds R

+==

],/[ KkgJdT

dq

dTm

dQ

c =

=

108

Promjene stanja idealnih i realnih plinova

Obzirom na mogue promjene stanja medija dovoenjem topline (q > 0) spromjenom p, V i T razlikujemo slijedee promjene stanja idealnog plina

Naziv Dov. toplina (q) ili izv. meh. rad (w):

a) izohora (V = const., p i T raste) q 12 = cv(T1 T2) > 0

b) izobara (p = const., V i T raste) q 12 = cp(T1 T2) > 0

c) izoterma (T = const., V raste, p pada) q12= w12 = p1 v1ln(p1/p2) > 0Obratne promjene veliina stanja vrijede kad se toplina odovodi (q < 0)

Adijabata:promjena stanja idealnog plina (p, V i T) u sluaju kad nema izmjenetopline (q = 0) s promjenom

d) adijabata (s, Q = const.), dva sluaja

adijabatska ekspanzija: p pada, V raste, T pada) q12 = 0, w12 > 0

adijabatska kompresija: p raste, V pada, T raste) q12 = 0, w12 < 0


11/114

11

109

Realni plinoviprikazuju se opim hiperbolama (politropama)

e) politropa: q12 = cv(T1 T2) (n )/(n - 1) , gdje je = cp/ cv

Pri tome se dobija za: n = 0 izobara

n = 1 izoterma

n = adijabata

n = izohora

110

Kruni termodinamiki proces

Zatvoreni proces kod kojeg su poetna i zavrna toka jednake (isteveliine stanja p, V i T)

U krunom procesu toplinskog stroja pogonski medij ekspandira svieg (toka 1) na nii tlak (toka 2) uz poveanje volumena,proizvodei mehaniku energiju, to se vidi na p-V dijagramu

Kada bi kompresija (2-1) tekla po istojkrivulji po kojoj je obavljenaekspanzija, ne bi se mogao izvriti rad(razlika dovedene i odvedene topline)

Stoga je uvjet za dobivanje energijeiz sustava da je utroeni rad zakompresiju manji nego dobivenaenergija ekspanzijom medija.

Utjecaj okoline (temperatura i tlak)


12/114

12

111

Kruni proces u T-s dijagramu povrina odgovara toplini

112

U toki 1 unutarnja energija medija na poetku i na kraju procesa jejednaka, pa se rad ne obavlja promjenom unutarnje energije nego naraun promjene topline.

Ako se mediju mijenja stanje bez promjene topline, entropija ostajenepromijenjena (primjer: adijabatska ekspanzija)

Specifina entalpija (h): sadraj topline pri konstantnom tlaku,jednaka je zbroju specifine unutarnje energije i specifine energijestrujanja medija:

Dovedena toplina mijenja mediju unutarnju energiju i volumen Vuz konstantan tlak p ili mu mijenja unutarnju energiju i tlak p uzkonstantan volumen V

21 QQW =

]/[ kgJvpwh u +=


13/114

13

113

Obzirom na nain upotrebe pogonskog medija, toplinski se strojevi

dijele na:1. Turbostrojeve(rad medija se prenosi na lopatice rotora parne iplinske turbine).

2. Stapne strojeve (stap ili klip je dio stroja na koji se prenosi radmedija motori s unutarnjim izgaranjem)

Turbostrojevi

U zatvorenom termodinamikom sustavu ekspanzija medija moe seiskoristiti samo jednom za dobivanje mehanikog rada pa jenezanimljiv za uporabu

Potrebno je nainiti otvoreni termodinamiki proces(dovoenje

medija prije kompresije i odvoenje medija nakon kompresije)-mogunost izmjene mase i energije izmeu granica sustava.

Kruni proces parnih i plinskih turbina opisuje idealno kao Carnotkruni proces (u stvarnosti neostvarivom procesu)

114

Carnot-ov kruni proces


14/114

14

115

Carnotov kruni proces:

Tok energije sastoji se od dviju izotermi i dviju adijabata

Toplina se dovodi po izotermi od toke 1 do 2, pa je dovedena toplinaQdprikazana povrinom u T-s dijagramu ispod duine 1-2

Od toke 2 do 3 odvija se adijabatska ekspanzija, a od toke 4-1adijabatska kompresija bez izmjene topline (realno nije ostvarivo).

Toplina se odvodi po donjoj izotermi od toke 3-4, pa je odvedenatoplina Qo prikazana povrinom ispod duine 3-4 (uvijek manja oddovedene!!!)

Termiki stupanj korisnog djelovanja Carnotovog krunog procesa:

d

o

d

od

d

tQ

Q

Q

QQ

Q

W=

== 1

d

o

d

ot

T

T

ssmT

ssmT=

= 1

)(

)(1

12

12

116

Carnotov idealni proces - maksimalni stupanj djelovanjakod pretvorbi unutarnje topline u mehaniki rad

od QQW =

Qo

p

V

IzotermaTdi To

AdijabataW

Qd

Carnot p-v dijagram

Td(K)

1000

(%)

8006004002000

20

40

60

80

100

Izvreni mehaniki rad (J/kg):Izvreni mehaniki rad (J/kg):

d

o

d

odt

T

T

T

TT=

= 1


15/114

15

117

2.1. Uvod

2.1.3. Pretvorba toplinske energije u mehaniku

Stapni strojevi (dodatno)

118

Stapni strojevi (dodatno)

Pretvorba energije se odvija u cilindru i dobiveni rad se prenosi daljepreko stapa (klipa) na osovinu stroja, radilicu, crpku i sl.

Energija se dovodi u cilindar izvana iz okoline, putem medija:

1. Vodena para za parni stroj,

2. Plinovito ili tekue gorivo za motore s unutarnjim izgaranjem

Parni stapni strojevi se danas upotrebljavaju relativno malo(lokomotive)

Motori s unutarnjim izgaranjem:

1. Otto ili benzinski - Otto kruni proces

2. dizelski (Diesel) motor Dizelski i Sabathe-ov (kombiniranidizelski) kruni proces


16/114

16

119

Gorivo izgara(dovoenje topline)pri stalnomvolumenu V2(od 2do 3), uz porasttemperature,obratno vrijedi zaodvoenje toplineiz procesa od 4 do1

Procesi od 3 do 4i od 1 do 2 sutehnike politrope(ekspan. i kompr.izmeu izotermei adijabate)

Otto procesp-v i T-s dijagrami

120

Otto proces

Otto motori mogu biti dvotaktni i etverotaktni

etverotaktni: 4 hoda stapa (klipa) 2 puna okreta osovine

1. takt: Usisavanje smjese zraka i goriva pri hodu klipa od gornje mrtvetoke do donje mrtve toke. U T - s dijagramu donja isprekidana linija(izobara na 0.1 MPa neto manje od atmosferskog zbog otpora priusisavanju zraka)

2. takt: Kompresija gorive smjese oba ventila zatvorena, klip dolazi ugornju mrtvu toku. U p-v i T-s dijagramu politropa kompresije odtoke 1 do 2. Slijedi izgaranje (2-3).

3. takt: Ekspanzija plinova (od gornje do donje mrtve toke) kadasvjeica baca iskru u gornjoj mrtvoj toki hoda klipa (od toke 3 do 4).

4. takt: Ispuh izgorjelih plinova (od toke 4 do 1) zbog otpora zraka ucilindru tlak neto vei od atmosferskog pri istiskivanju. Proces ispuhazavrava u gornjoj mrtvoj toki klipa.


17/114

17

121

Sabatheov proces (kombinirani dizelski proces)

1-2 Kompresija istog

zraka adijabatskakompresija

2-2 Usis goriva sasamozapaljenjemuslijed visokihparametara p i T Prvi dio izgaranja -uz V = const (razlika!)

2-3 Drugi dio izgaranja -izobarna ekspanzija

3-4 Adijabatska

ekspanzija

4-1 Ispuh - izohora

Zajedniko za Otto i Sabathe proces: toplina se odvodi tijekom izohore

122

2.2. Fosilna goriva2.2.1. Ugljen i treset


18/114

18

123

Postanak ugljena

Ugljen je sedimentna stijena crne ili crno-smee boje. Njegovo stvaranje (procespougljenjivanja)je zapoelo prije 360 milijuna godina raspadanjem biljnihtvari u movarama u mirnim stajaim vodama tijekom milijuna godina.

Pougljenjivanje: obogaivanje materije ugljikom, a osiromaenje duikom,kisikom i sumporom. Uz to smanjuje se sadraj huminske kiseline, a stvaraugljini-dioksid (CO2) i metan (CH4).

Na poetku se organska tvar taloila u mirnoj stajaoj vodi i dolazilo je dotruljenja zbog djelovanja kisika i aerobnih bakterija, a potom i raspadanja uslijeddjelovanja anaerobnih bakterija. U toj fazi je nastao treset.

Nakon toga je slijedilo pougljenjivanje bez prisustva kisika i mikroorganizama.

Pod utjecajem biolokih, fizikalno-kemijskih i geolokih inilaca, koji su semijenjali kroz vrijeme (temperatura, tlak, kemijske karakteristike i koliina vode).

Posljedica je nastanak 4 vrste ugljena: treset, lignit, mrki i kameni

124

Postanak ugljena

Ugljen je najmlae fosilno gorivo, no starost nije mjerilo dozrijevanja

1. kameni nastao prije ~270 mil. godina(do 80 mil. god. prije na sjeveru i 45 mil. god. poslije na jugu)

2. mrki i lignit nastali prije ~70 milijuna godina

Mrki i kameni ugljen se nazivaju se jo i bituminozni ugljen, a lignit smeim.


19/114

19

125

Osnovne karakteristike ugljena

1. Kemijski sastavMaseni udjeli: c + h + o + n + s + p + ca + fe + mg + w + a = 1

c ugljika, h vodika, o kisika, n duika, s sumpora, p fosfata, ca kalcija, fe eljeza, mg magnezija, w vlage, a pepela

Pojavljuju se u elementarnom stanju ili u kemijskim spojevima. Duik, vlaga ipepeo su negorivi dijelovi!

2. Gornja ogrjevna mohg

Koliina topline koja se oslobodi potpunim izgaranjem (oslobaanjem kemijskeenergije) 1 kg ugljena uz uvjet da se produkt izgaranja ohladi do temperature

koju su imali gorivo i zrak prije izgaranja uz pretpostavku da je sva vodena parakondenzirala

126

3. Donja ogrjevna mohd

Razlikuje se od gornje samo za toplinu kondenzacije vode

hd = hg- 2,5 (8,937h + w) [MJ/kg goriva]

gdje je: h maseni (postotni) udio vodika, w udio vlage

8,397 [kg] - vode nastaje izgaranjem 1 kg vodika

2,5 [MJ/kg] toplina isparavanja vode pri 273 K

4. Koliina hlapljivih sastojaka: ovisi o vrsti ugljena, a pojavljuju se u oblikuplinova ili para pri ugrijavanju. to je vei udio hlapnjivih sastojaka, potreban jevei volumen prostora za izgaranje uz bolji dovod zraka.

5. Sadraj pepela: koliina neizgorivih sastojaka po kg ugljena. Bitno utjee navladanje ugljena prilikom izgaranja.

6. Koliina ugljika u % suhe suspstance: glavno obiljeje kvalitete ugljena, asuha supstanca se dobiva se nakon odbijanja hlapljivih dijelova i pepela.

7. Koliina vlage u % suhe supstance


20/114

20

127

Podjela ugljena

Podvrste kamenog ugljena (ovisno o sadraju hlapljivih sastojaka):antracit 10%, mravi ugljen 11-14%, kovaki ugljen 15-19%, masniugljen 20 28 %, plinski ugljen 29-35 % i plameni ugljen > 35 %hlapljivih sastojaka.

Vrsta ugljenaOgrjevna

mo[MJ/kg]Sadraj

vlage [%]Hlapljivi

sastojci [%]Sadraj

ugljika [%]

Lignit do 12,6 31 60 51 60 65 70

Mrki ugljen 12,7 23, 9 11 30 46 50 71 80

Kameni ugljen 24 37,7 do 10 4 45 81 98

128

PodjelaPodjela ugljenaugljena bez pepela i sumporabez pepela i sumpora

Ugljen

0

10

20

30

4050

60

70

80

90

100

Gustoa

100kg/m3

Ogrjevna

moMJ/kg

Suhoa % Nehlapljivo %

suhoga

Ugljik %

suhoga

Antracit

Mravi kameni

Plameni kameni

Mrki (tvrdi)

Lignit (meki mrki)

Treset

Gustoa

[100 kg/m3]Ogrijevna

mo

Ogrijevna mo

[MJ/kg]

Suhoa

[%]

Nehlapljivo u

[%] suhe sup.

Ugljika u

[%] suhe sup.


21/114

21

129

LignitLignit

130

Bituminozni ugljen (mrki i kameni)Bituminozni ugljen (mrki i kameni)


22/114

22

131

AntracitAntracit

132

Treset (engl. Peat)

Najmlae fosilno gorivo i ne moe se smatrati ugljenom. Sastoji se od ostatakabiljaka, a nastao je od tresita(uz potpunu izolaciju od zraka). Slojevi tresitarazlikuju se po starosti i biljnoj vrsti.

Slabi treseti su kompaktne mase sa vie ugljika i manje vlage.

Debljina nalazita se kree izmeu 9 i 12 m obino na malim dubinama od 1 do7 m. Izvaeni treset ima veliki postotak vlage (80%), pa se mora osuiti da 25%

vlage. Prosjena ogrjevna motreseta je 9,5 17,5 MJ/kg Znatnija proizvodnja treseta: bivi SSSR i Turska.


23/114

23

133

U stvarnosti nema stroge podjele, posebno za loije vrste ugljena

Prema zrelosti:

1. nezreo: treset i lignit

2. zreo: pod-bituminozni i bituminozni (mrki, kameni)

3. visoko zreo: antracit

4. prezreo ugljen: grafit i metamorfozom dijamant

Prema ogrjevnoj moi

23,87 MJ/kg granica za kameni; 12,56 MJ/kg granica za mrki

Prema vidljivosti strukture drveta

1. lignit: ponekad i s vidljivom strukturom drveta

2. mrki: kada vie nije vidljiva struktura drveta

134

Podjela ugljena po nastankuPodjela ugljena po nastanku

Poveanjem tlaka i topline (krozvrijeme) raste sadraj ugljika, aopada sadraj vlage i hlapljivihsastojaka.


24/114

24

135

Uporaba ugljena

Za loenje u parnim kotlovimaveeg uina danas se upotrebljava ugljen uonakvom obliku kakav dolazi iz rudnika (rovni ugljen), jer ga prije upotrebe ionakotreba samljeti u ugljenu prainu.

Ugljen koji e posluiti u druge svrhe (loenje u kotlovima malog uina, loenje upojedinanim loitima u kuanstvima, za koksiranje itd.) treba imati odreenugranulaciju, pa se mora sortirati.

Preostali sitni ugljen upotrebljava se u kotlovima veeg uina. Osim toga ugljense upotrebljava i za proizvodnju plinova razliitim postupcima.

Za metalurku industriju od velike je vanosti proizvodnja metalurkog koksa,to je jedna od moguih transformacija ugljena za koju se moe upotrijebiti samougljen odreenih svojstava. Koksiranjem ugljena proizvodi se i koksni plinkojislui kao gorivo.

136

Proizvodnja plina iz ugljena:

1. isplinjavanje: toplina bez zraka

2. rasplinjavanje: kemijski proces nepotpunog izgaranja ugljena u goriveplinove

Plinovi iz ugljena razlikuju se prema sastavu i ogrjevnoj moi:

1. vodeni i generatorski:4,6 do 12,5 MJ/m3 (ugljen)

2. sintezni i redukcijski:~12,5 MJ/m3 (ugljen, teko lo. ulje, primarni benzini prirodni plin)

3. daljinski i gradski:17 do 20 MJ/m3 (koks, loivo ulje i primarni benzin)

4. obogaeni i sintetiki prirodni plin:25 do 37 MJ/m3(ugljen, primarnibenzin)

Podzemno rasplinjavanje mrkog i lignita (zrani, vodeni i vodeni uz dodatakkisika) vea iskoristvost budunost.


25/114

25

137Elektrotehniki fakultet Osijek

Oblici potronjeugljena

138

Rezerve i uporaba ugljena po vrstamaRezerve i uporaba ugljena po vrstama

Izvor: World CoalInstitute, 2005


26/114

26

139

Rezerve ugljena

Procjene neujednaene:Kameni ugljen do 1200 m dubine, a lignit i mrki do 500 m dubine. Minimalnadebljina sloja 0,3 m.

Za kameni ugljen: SAD iskoristive rezerve do 300 m dubine i 0,7 m debljine, aukupne do 900 m i 0,35 m ukupno.

Za mrki i lignit: SAD 900 m dubine i 0,75 m debljine sloja, a Rusija 600 mdubine i 1 m debljine sloja.

Dva velika pojasa nalazita kamenog ugljena koji okruuju Zemlju:jedanje na sjevernom polu od srednjeg dijela sjeverne Amerike preko sjeverneEurope, pa sve do Kine, a drugi pojas je od junog Brazila preko june Afrikedo istone Australije. Ta nalazita imaju razliiti stupanj pougljenja.

Najvee rezerve mrkog ugljena i lignita nalaze se izmeu 35. i 70.stupnja geografske irine na sjevernoj i junoj Zemljinoj polutci

Utvrene rezerve ugljena na krajuUtvrene rezerve ugljena na kraju 202011.11.

U milijardama tona (i u %)(i u %)

860.9 milijardi tona

Azija i PacifikAzija i Pacifik265.8 (30.9%)265.8 (30.9%)

Sjeverna AmerikaSjeverna Amerika245.0 (28.5%)245.0 (28.5%)

Sredinja i juna AmerikaSredinja i juna Amerika12.5 (1.5%)12.5 (1.5%)

Euroazija: 304.6 (35.4%)Euroazija: 304.6 (35.4%)

Afrika i Bliski istokAfrika i Bliski istok32.9 (3.8%)32.9 (3.8%)

140

Udio svjetskihutvrenih rezerviugljena podravama:SAD 27.6%,Rusija 18.2%,Kina 13.3%,Australija 8.9%,Indija 7.0%,Njemaka 4.7%,Kazahstan 3.9%,Ukrajina 3.9%,Juna Afrika 3.5%

Izvor: BP statistical review 2012


27/114

27

141

2.2. Fosilna goriva

2.2.1. Ugljen i treset (dodatno)

OdnosOdnos rezerverezerve ii proizvodnjeproizvodnje ugljenaugljena (R/P)(R/P) 1991.1991. -- 20201111.. po regijamapo regijama

142

R/P po regijama(EU R/P = 97 godina, mala potronja ali uz samo 6.5% rezervi)



28/114

28

143

Utvrene rezerve ugljena 1991., 2001. i 2011. (Utvrene rezerve ugljena 1991., 2001. i 2011. (uu milijunima tonamilijunima tona ii %%))

Izvor: BP statistical review 2012Od 2001. do 2011. smanjenje za 12.5%!

144

Ugljen: Proizvodnja i potronja po regijama 1986.-2011. Izvor: BP Statistical Review 2012.

2011.49.4%

svjetskepotronje

2010./2011.

Porast9.7%

2011.49.5%

svjetskeproizvodnje

2010./2011.

Porast8.8%

Ugljen: Pogonsko gorivo kineskog rasta!


29/114


30/114

30

147

Cijena ugljena na tritima od 1991. do 2011.

Izvor: BP Statistical Review 2012.

148

Kretanje cijena uvoznog ugljena i koksa u HR od 2004. do 2010.

Izvor: Energija u HR 2010.


31/114

31

149

Rezerve i proizvodnje ugljena u HR do 2008.


150

Bilanca ugljena u RH od 1988. do 2010.



32/114

32

151

Postupci dobivanja i uporabe ugljena

1. Iskop: povrinski i pod zemljom

2. Odvajanje od jalovine

3. Sortiranje (


33/114

33

153

154


34/114

34

155

Ugljen i okoliUgljen i okoli?!?!

Ugroavanje okolia rudnika

Potronja vode

Zagaivanje zraka: CO2, SO2, NOx Zagaivanje okolia TE: pepeo (kancerogen)

Lokalno: zdravlje ljudi i opstanak biosvijeta

Globalno: efekt staklenika i klimatske

promjene Rjeenje: politiko - isti ugljen???

ekoloko - naputanje ugljena!!!

Vie u 4. poglavlju: Energija i okoli

156

2.2. Fosilna goriva

2.2.2. Nafta i prirodni plin


35/114

35

157

Postanak nafte i prirodnog plina

Sirova nafta i prirodni plin smjese su razliitih ugljikovodika, ije se molekulesastoje uglavnom od ugljika (C) i vodika (H), a katkad od spojeva s duikom (N),kisikom (O) i sumporom (S)

Pri odreenim tlakovima i temperaturama pojedini spojevi prelaze iz plinovitog utekue agregatno stanje i obratno. U nalazitima mogu biti u plinovitom,tekuem, pa i vrstom agregatnom stanju.

Nastali su od naslaga organskih tvari: bjelanevina, masti i ugljikohidratakaoostatka niskorazvijenih biljnih i ivotinjskih planktona i bakterijakoje suivjele u vodi ili u moru.

Procesom bitumeniziranjau mirnoj vodi s malim koliinama kisika, uz odreenutemperaturu i tlak (deseci milijuna godina).

Nafte ima od prije 280, 90 i 20 milijuna godina.

Pojavljuje se u strogo odreenim uvjetima izmeu sedimentnih stijena (tzv.naftni prozori)

158

Nalazita nafte i prirodnog plina

Pojavljuju se u sedimentnim naslagama (kolektorskim stijenama) mladihgeolokih razina. Gotovo uvijek se u nalazitima zajedno pojavljuju nafta iplin.

DA bi postojalo loeite kod sedimentnih kolektorskih stijena kojesadre naftu vana je

1. Koli ina nafte i prirodnog lina

2. Sustav povezanih pora

3. Mjesti pogodno za nakupljanje

Nafte nema ukoliko

1. Bilo koji uvjet nije ispunjen

2. Postoje pukotine

3. Bez razloga


36/114

36

159

Nalazita nafte i prirodnog plina

Vrlo velik znaaj slabo(ne) propusnih stijena, koje omoguuju nakupljanjeugljikovodika, te nemogunost njihove migracije u neke druge slojeve.

Sedimenti na dnu dubokih oceana su samo 1 km debeli: posljedica je danema nafte na 60% zemljine povrine.

Prostor kolektora u kojem se nafta i prirodni plin nakupljaju naziva se zamkaili lovka. Takve prostore nazivamo leitima, a projekcije vie leita nekogpodruja na povrinu zemlje nazivam naftim poljem.

Naftni prozor :2,5 do 4,5 km (60C do160C)

Dubinsko-temperaturni interval u kojem

matina sedimentna stijena generiranajvei dio naftnih ugljikovodika. Naftni

prozor nastaje u temperaturnom podrujuizmeu 60 i 1600C, tj. katagenezi.

160

Leita nafte i prirodnog plinaLeita nafte i prirodnog plina

Postoji nekoliko vrsta leita: slojna, masivna i leita nepravilnih oblika


37/114

37

161

Osnovne karakteristike nafte i prirodnog plina

1. Kemijski sastav

Nafta i plin uglavnom se sastoje od tisua parafinskih (alkalnih), naftenskih(cikloparafinskih) i aromatskih ugljikovodika. Meusobno se razlikuju po brojuugljikovih atoma, nainu vezivanja i zasienosti vodikom.

CnH2n+2 parafinski ugljikovodici (lanane veze atoma ugljika)

CnH2n-2k naftenski ugljikovodici (prstenaste veze)

CnH2n-6k aromatski ugljikovodici (prstenaste veze)

Gdje je: n prirodan broj; k+1 broj prstenova ugljika

162

NaftaNafta:: Crno zlatoCrno zlato

BojaBoja,, gustoagustoa,, mirismirisovise oovise o sastavusastavu((lakihlakih ii teihteih ugljikovodikaugljikovodika)!)!

PrirodniPrirodni plinplin


38/114

38

163

2. Gornja ogrjevna mohg (kao kod ugljena)

Koliina topline koja se oslobodi potpunim izgaranjem (oslobaanjem kemijskeenergije) 1 kg nafte uz uvjet da se produkt izgaranja ohladi do temperature kojusu imali gorivo i zrak prije izgaranja uz pretpostavku da je sva vodena parakondenzirala

3. Donja ogrjevna mohd (kao kod ugljena)

4. Vrelite

Temperatura kod koje pojedini ugljikovodik prelazi iz tekueg u plinovito stanje.

5. Specifina gustoa

Omjer mase i volumena koju ta masa zaprema.

164

Traenje nafte i prirodnog plina

Ekonomisti i geolozi se ne slau. Povrinska istraivanja zavrena 1960. priemu je nepotpuno istraeno ispod povrine. Buenjese vri kemijski ielektriki, pri emu se danas mjeri 20-ak veliina. Rezultati istraivanja sujavno dostupni.

Kod traenja se i danas koriste Archievi zakoni otkriveni 1947.

1. Rs/Rv= P-2

2. Rnp/Rs= Pv-2

gdje je Rs- otpore stijene ispunjene slanom vodom [/m]; Rv- otpor vode[/m]; Rnp - otpor stijene dijelom ispunjene naftom ili plinom pored vode[/m]; P poroznost stijene (od 0 do 1), Pv dio pora ispunjen vodom

Pnp=1-(Rs/Rnp)1/2/ PDio pora ispunjennaftom ili plinom


39/114

39

165

Znanstvene metode za traenje i odreivanje rezervi nafte:

Geofizika: varijacije gravitacije (0,001)

djelotvorno samo kod solnoklinastih leita

Seizmoloka zvuna istraivanja

koristi se od 1930., do 1955. eksplozivom

princip jasan, ali ne i interpretacija

trenutno se koriste raunala i 3D tehnologija (30x vie sondi)

na moru je buenje 10x jeftinije

FFT, obrada podataka i strukturni geolozi

Vrlo su nepouzdane, pa pri traenju kaojedina sigurna metodaostajubrojne bliske buotine

166

1700m1700m

320m320m

420m420m

550m550m

888m888m

909m909m

310m310m

620m620m

930m930m

1240m1240m

1550m1550m

Evolucija tehnologijeistraivakog buenja

Tehnologije istraivakog buenja odkopna prema dubokoj vodi

Evolucija tehnologijeistraivakog buenja


40/114

40

167

Metode buenja

1. Mehaniko buenje(udarno, rotacijsko),

2. Termiko buenje (termoelektrino, plazmeno, elektrino, lasersko,termonuklearno),

3. Akusti ko buenje,

4. Erozijsko buenje,

5. Kombinirano

Udarno buenje

Slobodnim padom dlijeta koje pada s odreene visine(s njihala) ime se postie razruravanje stijene, uz

uklanjanje krhotina.Nedostaci :polagano napredovanje i nemogunostprodiranja duboko u stijenu (najvie do 540 metara).

168

Rotacijsko buenje

Suvremeniji nain buenja odnosno razruavanja stijena.

Postrojenje se sastoji odpogonskih ureaja koji daju energiju za rotiranjeelinihcijevi (svrdla) na dnu kojih se nalazi glava (dlijeto) za rotacijsko buenje.

Sadri :- sustav za podizanje i

sputanje cijevi iglave za rotacijskobuenje,

- sustav za otklanjanjekrhotina, te

- sustav protiverupcije koji u sluajuprevelikog tlakazatvara buotinu.


41/114

41

169

Metode buenja vrste dlijeta

Vrste dlijeta (glava) za rotacijsko buenje

Lopatasta rvanjska Bradaviasta Dijamantnarvanjska

Materijali za glave (dlijeta) elini zubi tungsten ugljik

dijamantni kompaktni premaz

Do 80000 (jedna za 2km)

170

Metode buenja - problemi

Buenje najvea prepreka istraivanju

od 300 do 2 m/dan

potrebna snaga za crpljenje 1500 kW/m, a za buenje 20 kW/m

Cijena ugovorno (60 /m)

50% buenje i 50% priprema za crpljenje

Preko 2,5 km posebno veliki tlak (mjesta s preteno prirodnim plinom)

Nesree na buotinama

hidrogensulfid H2S (otrovan kao i hidrogen cijanid)

poari,

neposredni okoli


42/114

42

171

Metode buenja napredne metode

Fleksibilno buenje cijev 5-8 cm (u perspektivi ire) buenje po strani (revolucija) turbina na vrhu - izum Rusa

172Model modernog

naftnog polja


43/114

43

173

Proizvodnja nafte iz podmorja

Procjenjuje se da je od ukupnih svjetskih rezervi nafte oko jedna etvrtina upodmorju.

Najvie uz obalu Kalifornije, vodama Aljaske, u Sjevernom moru, uz obaluAustralije i Indonezije, uz obalu zapadne Afrike, istonu i sjevernu obaluJune Amerike, u Perzijskom zaljevu.

Prednost zaliha nafte u podmorju je jeftinije crpljenje.

Platforme:- fiksne (do 300 m dubine)s fleksibilnim tornjem-BT towersamopodizne jack ups elinim tapovima

steel template jacket- pomine (lanci za sidrenje)

174

Crpljenje nafte

1. Primarno crpljenje (prirodna erupcija): ucementiranaelina cijev (18 cm), eksplozije otvaraju rupe (6-12 x2,5cm): hidrofrakturiranje, gelovi, pjena i drugo

2. Sekundarno crpljenje(pospjeivanje dotoka):pomou dubinskih crpkivoda (koef. ekstr. do 60%),

prirodni plin iznad nafte (oko 40%), pr. plin u nafti (do20%). Sekundarno crpljene neophodno prije ilikasnije.

3. Tercijarno crpljenje(podizanje plinom): Omjerizmeu pridobivene nafte i ukupnih rezervi naziva sekoeficijent ekstrakcije i na njega se moe utjecatipasivnim metodama (dodatnim buotinama,poveanjem dubine i obnovom buotina) te aktivnimmetodama (mehanika ekstrakcija, utrcavanje vode,plinova, kao i termike metode).


44/114

44

175

Za iscrpljivanje do koeficijenta ektrakcije preko 60%nuno:

potapanje parom

potapanje s CO2 ili CO (otopljenim u vodi)

potapanje tekuim butanom ili propanom (100%djelotvorno u posebnim prilikama ali skupo i rizino)

potapanje deterdentom (malo, za tanje slojeve)

vatra (utisk. zraka i paljenje, sumporna kiselina!)

Svaka metoda ima svoju optimalnu primjenu

Utiskivanje CO2predstavlja izbor kada niti jedna drugatercijarna metoda nije dobra.

Sve navedene metode su razvijane dugo i s puno novca. Tehnologijamapoveanja iscrpka nafte se dobije oko2% od ukupnog iscrpka, no unatotomeu leitima ostaje do 40% neiskoristivih zaliha nafte. Neto dramatino novo(efikasno i jeftino) nije za oekivati!

176

Uporaba nafte i prirodnog plina:

Sirova se nafta ne upotrebljava uprirodnom obliku, vese podvrgavapostupku destilacijei naknadnimsekundarnim postupcima (rafinerijesirove nafte) kako bi se odijeliliderivati nafte:

1. Rafinerijski plin,2. Ukapljeni plin,

3. Laki kapljeviti derivati (bezini)

4. Srednji kapljeviti derivati(petrolej, plinska i laka loiva ulja)

5. Teki kapljeviti derivati(teka loiva ulja - mazut,neenergetska potronja).


45/114

45

177

Rafinerijski plin (metan, eten, etan i vodik) kao najlaki plinoviti produkt nafte, te

ukapljeni plin (propan, butan) upotrebljavaju se kao goriva u loitima. Laki derivati (benzini) smjesa su lakih ugljikovodika parafinskog, aromatskog,

olefinskog i naftenskog reda, a slue za pogon benzinskih motora s unutarnjimizgaranjem, Otto motori.

Petrolejuglavnom za rasvjetu, te pogon plinskih turbina, osobito turbomlaznihaviona), ogrijevna mo43 MJ/kg.

Srednji derivati slue za pogon dizelskih motora i kao ekstralako loivo ulje ukuanstvima.

Teki derivati rabe se u loitima i parnim kotlovima.

Osim toga u rafinerijama se proizvodi niz drugih energetskih i ne-energetskihproizvoda.

Iz prirodnog plina najee se u degazolinaama odvajaju laki ugljikovodici, akoih sadri prirodni plin, a preostali se "suhi" prirodni plin upotrebljava kao gorivo ikao sirovina u industriji.

178

Gornja ogrjevna monekih fosilnih goriva iderivata

Koliina topline u [MJ]osloboena izgaranjemkg/m3/l goriva ili derivata priatmosferskom tlaku od

1,013 bar i na temp. od0oC, uz potpunukondezaciju vode.

GorivoGornja ogrjevna mo

(Gross Calorific Value - GCV)MJ/kg ili MJ/m3 ili MJ/l

Kruta goriva

Ugljen 15,0- 27,0 MJ/kg Antracit 32,5 34,0 MJ/kg Bituminozi ugljen 17,0- 23,2 MJ/kg Koks 28,0 31,0 MJ/kg Lignit 16,3 MJ/kg Treset 13,8 - 20,5 MJ/kg Suho drvo (usporedba) 14,400 - 17,400 MJ/kg

Tekua goriva

Dizel 44,8 MJ/kg Etanol 29,7 MJ/kg Benzin 47,3 MJ/kg Biljno ulje 39,0 - 48,0 MJ/kg Petrolej 43,0 MJ/kg Plinsko ulje 38,0 MJ/l Teko loivo ulje 41,2 MJ/l Kerozin 35,0 MJ/l

Plinovita goriva

Prirodni plin 43,0 MJ/m 3

Metan CH4 55,5 MJ/kg=39,8 MJ/m3

Propan C3H8 50,3 MJ/kg =101,000 MJ/m3

Butan C4H10 49,5 MJ/kg =133,0MJ/m3

Gradski plin 18,0 MJ/m 3

Vodik 141,8 MJ/kg =13,0 MJ/m 3Izvor:

EngineeringToolBox


46/114

46

Utvrene rezerve nafte na krajuUtvrene rezerve nafte na kraju 202011.11.

U milijardama barela (i u %)(i u %)Galon (USA) 1 [gal] = 3,785412 [l] = 0,8327 galona (UK)

Barel nafte [bbl] = 0,1589873 [m3] = 158,9873 [l] = 42 galona (USA) = 35 galona (UK)

1652.6 milijardi barela

441.31.3(2.5%)(2.5%)

217.5217.5(13.2%)(13.2%)

325.4325.4

(19.7%)(19.7%)

132.4132.4(8.0%)(8.0%)

14141.11.1(8.5%)(8.5%)

795795(48.1%)(48.1%)

179

Svjetske utvrene rezerve naftedominantno na Bliskom istokuuz snaan porast u Venezueli.


Utvrene rezerve plina na krajuUtvrene rezerve plina na kraju 202011.11.

U bilijunbilijunimima ma m33 (i u %)(i u %)

Svjetske utvrene rezerve naftedominantno na Bliskom istoku iEuroaziji (najvie Rusija i Turkmenistan). 208.4 bilijuna m3

16.816.8

(8.0%)(8.0%)

10.810.8(5.2%)(5.2%)

7.67.6(3.6%)(3.6%)

14.514.5(7.0%)(7.0%)

78.778.7(37.8%)(37.8%)

180

80.080.0(38.4%)(38.4%)



47/114

47

181

2.2. Fosilna goriva

2.2.2. Nafta i prirodni plin (dodatno)

182

Nafta: Proizvodnja i potronja po regijama 1987.-2012.

Izvor: BP Statistical Review 2013


48/114

48

183

OdnosOdnos rezerverezerve ii proizvodnjeproizvodnje naftenafte (R/P)(R/P) krajemkrajem 20201212..

Svjetske utvrene rezerve (R) i godinja proizvodnja (P) nafte (umilijardama barela):

Od 2008. (svjetska kriza) poinje istovremeno sporiji porast potronje(svjetska ekonomska kriza) uz znaajniji porast utvrenih rezervi uposljednjem desetljeu (350 milijardi barela), a osobito u Venezueli u 2011.

(Orinoco belt 220 milijardi barela) Na bliskom istoku tijekom posljednjih 30 godina znatno je poveana

proizvodnja (OPEC ini 72.6% svjetske proizvodnje) , to je znatno smanjiloprocjenu trajanja rezervi u toj regiji s oko pola svjetskih rezervi.

Izvor: BP statistical review2008 - 2012 1998. 2008. 2009. 2010. 2011. 2012.

R [x109barela] 1068.5 1258.0 1333.1 1383.2 1654.1 1668.9

P [x109 barela/god] 26.8 29.9 29.2 29.9 30.5 31.5

R/P [god] 39.9 42.1 45.7 46.2 54.2 52.9

Izvor: BP statistical review 2009 - 2013

OdnosOdnos rezerverezerve ii proizvodnjeproizvodnje naftenafte (R/P)(R/P) 1982.1982. -- 20201212.. po regijamapo regijama

184

Napomena: EU ima samo 0.4% rezervi, a R/P = 12.1 godina i to zahvaljujui krizi (smanjenjupotronje), prelasku na druge energente (OIE) i mjerama energetske uinkovitosti



49/114

49

185

Utvrene rezerve nafte 1991., 2001. i 2011. (Utvrene rezerve nafte 1991., 2001. i 2011. (uu milijardmilijardamaama barelabarela ii %%))

0.8 % 0.7% 0.4% Izvor: BP statistical review 2012

186

Prirodni plin: Proizvodnja i potronja po regijama 1987.-2012.

Izvor: BP Statistical Review 2013


50/114

50

OdnosOdnos rezerverezerve ii proizvodnjeproizvodnje prirprir. plina. plina (R/P)(R/P) 1992.1992. -- 20201212.. po regijamapo regijama

187

Rezerve i R/P u svijetu: Svijet 187.3 = 55.7 god, OECD 10.0% = 15.4 god (EU 0.9% = 11.7 god),Non OECD = 90.0% = 78.4 god (bivi SSSR 29.1% = 71.0 god, bliski istok 43.0% = 146.9 god)


188

Utvrene rezerve prirodnog plina 1991., 2001. i 2011. (Utvrene rezerve prirodnog plina 1991., 2001. i 2011. (uu bilijunbilijunimima ma m33 ii %%))

2.9 % 2.1% 0.9% Izvor: BP statistical review 2012


51/114

51

189

Rezerve nafte i prirodnog plina u HrvatskojRezerve nafte i prirodnog plina u Hrvatskoj

Rezerve nafte i kondezata (bilanne) izvor: Energija u Hrvatskoj 2010.

Oekivano iskoritenje bilannih rezervi: 10481,6 x(0,80 do 0.95 tona/m3)/720,4= 12 do 14 godina!

Rezerve plina (bilanne) [106 m3] izvor: Energija u Hrvatskoj 2010.

Oekivano iskoritenje utvrenih rezervi: 31587,1/2727,2 = 12 godina!

190

Energetska bilanca sirove nafte u Hrvatskoj

Izvor: Energija u Hrvatskoj 2010.


52/114

52

191

Energetska bilanca prirodnog plina u Hrvatskoj


192

Plinski transportni sustavu Hrvatskoj



53/114

53

193

HubbertovHubbertov maksimummaksimum naftenafte ((dodatnododatno))

M.K. Hubbert (1903-89) geofiziar

1956. upozorio na maksimum nafte

pogodio za SAD 1970.

isto vrijedi za cijeli svijet

Usporedba: SAD (6,7 Mbl/d 550.000 crpilita), a SaudijskaArabija (10,8 Mbl/d 1500 crpilita)

Ozbiljna predvianja maksimuma

2000 do 3000 milijardi barela nafte godinjeza 5 do 15 godina

194


54/114

54

195

196

CijenaCijena sirovesirove nafte 1nafte 1861.861. -- 2011.2011.



55/114

55

197

Maloprodajne cijene derivata nafte u HR 1998. 2010.


198

Nekonvencionalni spas!?

Bitumenozni pijesak(mrtvo naftno polje): smjesa pijeska, mineralnih tvari,vode i bitumena. Sadraj ulja odnosno bitumena iznosi od samo nekolikolitara do 600 litara na tonu tvari.

Uljni kriljevci(neroena nafta): sedimentno stijenje sa veim ili manjimsadrajem organske tvari (ulje ili kerogen) rasprene u obliku mikroskopskihestica

Problem je u kvaliteti i cijeni! Za prirodni plin ima potencijala u dubini, zapadni Sibir 1/3 svjetskog prirodnog

plina.

Hidrati metana(nalaze se u morskom dnu) takoer predstavljaju potencijal


56/114

56

199

Bitumenozni pijesakBitumenozni pijesak

Uljni kriljevciUljni kriljevci

200


57/114

57

201

Nafta, plin i okoli

Ugroavanje okolia crpilita, transporta i transformacije

Zagaivanje zraka: CO2, SO2, NOx

Lokalni utjecaj: zdravlje ljudi i opstanak biosvijeta Globalni utjecaj: efekt staklenika i klimatske promjene

Vie u 4. poglavlju: Energija i okoli

202

2.3. Nuklearna goriva2.3.1. Fisija


58/114


59/114

59

205

Energija vezanja; razlika mase; E = m c2

Bnuclear = [ZmHc2+ Nmnc2] [mAc2]

Z broj protona, N broj neutrona

206

Osloboenaenergija

vezivanjajezgre

Atomska masa

Energijaosloboenau fuziji

Energija oslob.u fisiji


60/114

60

207

Radioaktivnost

Nestabilnost velikih jezgri:protonska i neutronska linijaobiljeavaju podruje spontaneemisije p ili n.

Radioaktivnim raspadom uzoslobaanje energijejezgre iduka stabilnosti.

Radijacija (zraenje): , , , , , , , ,

jezgra He (2p+2n)2p+2n) listlistpapirapapira

elektron ili pozitron

nekoliko mm metala foton velike energije nekoliko cm olova

zraenje

zraenje

208

Fisija

Fisijska lanana reakcija ostvaruje se slobodnimneutronima koji izazivaju raspad drugih jezgara.

Vrijeme poluraspada(poluivota) T1/2: onaj vremenski interval u kojem seraspadne polovina jezgara radioaktivne tvari

Prirodna nuklearna goriva (radioaktivni nizovi) za fisijusu uran (U) i torij

(Th).Uran (23892U i 23592U) i Torij (23290Th)

Vrijeme poluraspadaT1/2= 4,5109, 0,7109 i 14109god.)

zavravaju olovom (20682Pb, 20782Pb i 20882Pb)

Pri raspadu izotopa urana U-235 oslobaa se prosjeno 2,5 neutrona, te seistovremeno dio nuklearne energije pretvara u toplinu.

Izotop U-235 jedino je nuklearno gorivo koje se pojavljuje u prirodi, no uprirodnom uranu ima ga samo 0,7%.


61/114


62/114

62

211

Th-232, T1/2=14109god.

t

entn

=

0)(

2ln2/1 =T

Vrijemepoluraspada

Dobivanje nuklearnih goriva

212

Kod fisijske lanane reakcije energija se pojavljuje najvie kao kinetikaenergijanovih izotopa, potom neutrona i energija zraenja

Samo manji dio pretvara se u unutarnju termiku energiju,

Primjer:

U-235 ima 235 atomskih jedinica mase, a u energiju se pretvara samo 0,216jedinica mase ili oko 0,1% mase te pri tome daje energiju od 82109J.

Samostalno odravanje raspada jezgara zasniva se na pojavi da se nakonraspada jedne jezgre pojavi najmanje jedan neutron sposoban izazvati raspadjezgre.

Meutim, u prosjeku raspadom jezgre U-235 nastaje 2,5 neutrona. Broj raspadnutih jezgara rast e po zakonu2n, gdje je n broj sukcesivnih raspada(broj generacija neutrona).

Lanana reakcija (nekontrolirana) je ispunjena u atomskoj bombi, koja je uprvoj izvedbi bila izgraena odistog U-235.


63/114

63

213

Fisija urana i lanana reakcija

214

Uporaba nuklearnog goriva

Nuklearna energija, prema dananjem tehnikom razvoju, transformira se uunutarnju energijunositelja energije (fisija), a zatim u mehaniku i elektrinuenergijupomou parnih turbina i elektrinih generatora.

Pritom nuklearni reaktori preuzimaju funkciju parnih kotlova.

Uran kao nuklearno gorivo moe biti u svojem prirodnom obliku ili kaoobogaeni uran.

1. U reaktoru s prirodnim uranom smjesa: 99,282 % U-238, 0,712 % U-235 i0,006 % U-234.

2. U reaktoru s obogaenim uranom smjesa U-238 i U-235, ali s veimpostotkom U-235 nego u prirodnom uranu.

3. U oplodnom reaktoru koristi se i prirodni i obogaeni uran, ali i osiromaeniuran(mogue i iz ostalih reaktora - kojima je to istroeno gorivo) pripremljenkao oplodni materijal uz poveanje iskoritenja goriva za oko 60 puta.


64/114

64

215

Ciklus uporabe urana kao nuklearnog goriva

Elektrotehniki fakultet Osijek

reaktori s

obogaenim

uranom

216

Obogaivanje urana

1. Plinska difuzija

iz uranove rude najprije se mehaniki ikemijski dobiva plin U3O8(uranovoksid), koji se potom pretvara se u UF6(uranov heksafluorid) i zatim potiskujekroz porozne barijere, kinetikaenergija molekule plina ovisi otemperaturi, manja masa vea

brzina, kretanje kroz porozne barijerebre, en. intenzivno (10%).2. Centrifuge

radijus kruenja ovisi o masi, veamasa vei radijus, manje energetskiintenzivno, ali sloenije

3. Lasersko

energetski nivo staza elektrona ovisi omasi jezgre, jo u razvoju


65/114

65

217

Stavljanje reaktora u pogon, rad i obustavljanje

U nuklearnom reaktoru zahtjeva se kontrolirana lanana reakcija. Potrebne su posebne tehnike mjere da

neutron proizveden raspadom jedne jezgreizazove raspad druge.

Ako sa n2oznaimo broj neutrona u nekojgeneraciji, a sa n1 njihov broj u prethodnojdefinira se faktor multiplikacije k, kao:k = n2 / n1

Kontrolirana fisijska lanana reakcija unuklearnom reaktoru

Pri stavljanju reaktora u pogon mora biti k > 1.

Kad je dostignut broj neutrona u jedinici

vremena nuan za potrebnu snagu (radreaktora) mora se odravati konstantnostbroja neutrona, tj. k = 1.

Pri obustavljanju rada reaktora broj neutronamora se smanjivati, tj. k < 1.

218

Nuklearni reaktori

Klasifikacija prema:

nuklearnom gorivu, moderatoru(sredstvukoje kontrolira lananu reakciju usporavaneutrone) i prema rashladnom sredstvu.

1. Grafitni reaktori

1.1. Reaktor hlaen ugljinim dioksidom(GCR Gas Cooled Reactor)

1.2. Usavreni reaktor hlaen ugljinimdioksidom (AGCR Advanced GCR)

1.3. Visokotemperaturni plinom hlaenreaktor (HTGR High Temp. GCR)

GCR


66/114

66

219

2. Lakovodni reaktori

2.1. Lakovodni reaktor s vodom podtlakom (PWR PressurizedWater Reactor)

2.2. Lakovodni reaktor s kipuomvodom (BWR Boiling WaterReactor)

3. Tekovodni reaktori

4. Oplodni reaktori

Poveanje koritenjaurana do 60 puta

PWR

Oplodni reaktors tekuim natrijem

220


67/114

67

221

Nuklearno gorivo (gorivne elije)

Ogrjevna mo

35 GWd/t goriva (3,2% obogaenje)

6 GWd/t prirodnog U

1 tU= 0,5 PJ

222

Reprocesiranje istroenog goriva

Kemijsko izdvajanje neiskoritenog urana i plutonija

drobljenje tableta goriva, otapanje u duinoj kiselini, organska otapalaza uran i plutonij, dodaci pomau taloenju plutonija

Poveava opasnost od proliferiranja nuklearnih materijala, istodobnosmanjuje problem odlaganja radioaktivnog otpada

30% poveanje dostupne energije (cijena NE), vano za tehnologiju oplodnih

reaktora


68/114

68

223

Dokazane svjetske rezerve urana2009. u [1000 tU] Izvor: IAEA, 2010.

Rezerve fisijskog nuklearnog goriva u Zemlji

Uran u prirodi sadri samo 0,7% 235U Utvrene rezerve urana: 5,3 Mt(ispod 130

$/kg), krajem 2011.

Dodatno po cijeni od 130-260 $/kg): 1.8 Mt

Cijena na tritu u 2011. prije Fukushime 165-169 $/kg, dan poslije 150 $/kg, a krajem godine132-135 $/kg

danas se koristi ruda koncentracije 1kg/t , imaga dovoljno, ali u malim koncentracijama

Potencijalne rezerve: 10.43 Mt

Rezerve Torija 6-7 Mt (zasad samodemonstracijska postrojenja)

Proizvodnja 2010. 54670 tU = 0,055 Mt

Potronja 2010. 63 875 tU = 0,064 Mt

Izvor: IAEA, 2012.

Razdioba dokazanih svjetskih rezervi urana 2009. < 130 $/kgU

224

Izvor: IAEA, 2010.


69/114

69

225

Napomene uz rezerve urana

Nuklearna fisijska energija nije jako ovisna o gorivu. Dananja tehnologija poteini treba oko105manje goriva od npr. fosilnih elektrana na ugljen.

Trenutno omjer resursa i koritenja (proizvodnje/potronje) je preko (R/P (130$/kgU,te se ne koriste. Procjena oko 8 Mt iz fosfata i sl. (prvo postrojenje -UraniumEquities Limited iz Australije - iz fosfatne kiseline razmjenom iona poelo raditi usvibnju 2012. komercijalizacija oko 2015.?)

Brzi oplodni reaktori unose faktor iskoritenja urana od preko 50 puta! (uzdokazane rezerve dovoljno za preko 6000 godina, a uz potencijalne za preko18000!)

226

Fizijski nuklearni reaktori krajem 2011.

U pogonu krajem 2011.:435 reaktor (2010: 441) ukupna instaliranasnaga 369 GW (2010: 375 GW ) u 30zemalja

Gaenje 13 reaktora zbog Fukushime2011.: sva 4 reaktora u Fukushimi, ali i 8 uNjemakoj (stav javnosti)

Novi reaktoru u pogonu 2011.: 4 reaktora

u Kini, te po jedan u Indiji, Iranu, Pakistanui Rusiji

U izgradnji krajem 2011.: 65 reaktorareaktora ukupne instalirane snage 62 GWu 15 zemalja

2011. ukupna proizvodnja elektrineenergije 2518 TWh (2010: 2630 TWh) toje 12,3 % elektrine energije i 4,9%primarne energije (BP statistical review),

Stanje reaktora2010.

Zemlja

U pogonu U izgradnji

Broj Snaga

MWBroj

SnagaMW

Argentina 2 935 1 692Armenija 1 375 - -Belgija 7 5,934 - -Brazil 2 1,884 1 1,245Bugarska 2 1,906 2 1,906Kanada 18 12,569 - -

Kina 13 10,048 23 24,010eka 6 3,678 - -Finska 4 2,716 1 1,600Francuska 58 63,130 1 1,600Njemaka 17 20,490 - -Madarska 4 1,889 - -

Indija 19 4,189 4 2,506Iran - - 1 915Japan 54 4 6,823 2 2,650Juna Korea 21 18,665 5 5,560Mexico 2 1,300 - -Nizozemska 1 487 - -Pakistan 2 425 1 300Rumunjska 2 1,300 - -Rusija 32 22,693 11 9,153Slovaka 4 1,762 2 782Slovenija/Hrvatska 1 666 - -

Juna Afrika 2 1,800 - -panjolska 8 7,516 - -vedska 10 9,303 - -vicarska 5 3,238 - -Tajvan 6 4,980 2 2,600Ukrajina 15 13,107 2 1,900Velika Britanija 19 10,097 - -SAD 104 100,683 1 1,165Ukupno 441 374,692 60 58,584

Izvor: IAEA, 2010. do 2012.


70/114

70

227

Fisijski nuklearni reaktori, mapa, stanje 2005.

228

Nuklearna energija: Potronja po regijama 1987.-2012.

Izvor: BP Statistical Review 2012/2013

Nuklearna energija 2011. /2012.(nakon Fukushime):

U 2011. svjetska proizvodnja (potronja) nuklearneenergije pala za 4.3%, a u 2012. za dodatnih 6.9%!

Od toga najvei % pad: Japan (2011.:-44.3%;2012. -89% uk.)

Ostali (2011.): Njemaka (-23.1%); Argentina

(-11.9%), panjolska (-7.0%)

Najvei % porast (2011.)Mexico (+71.6%); Hong Kong (+39.6%);Pakistan (+39.6%); Kina (+16.9%)

Najvei potroai u Mtoe (2011.):SAD 188.2; Francuska 100.0;Rusija 39.2; Japan 36.9; Juna Koreja 34.0Njemaka 24.4; Kanada 21.4; Ukrajina 20.4;Kina 19.5; Velika Britanija 15.6;vedska 13.8, panjolska 13.0


71/114

71

229

Proizvodnja elektrine energije iz nuklearnih elektrana 2009. (svijet 16%)

Izvor: IAEA, 2010.

Radi usporedbe:

Litva: 76.2%Japan: 28.9%Njemaka: 26.1%Kina: 1.9 %

230

Proizvodnja el. en. iz nuklearnih elektrana 2011. nakon Fukushime (svijet 12,3%)

Izvor: IAEA, 2012.

Litva 0%:gaenje NTE Ignalina 31.12.2009. (EU)Japan 18.1%: gaenje NTE Fukushime 1-4Njemaka 17.8%: gaenje 8 reaktora:Biblis A and B, Brunsbttel, Isar-I, Krmmel,Neckarwestheim-1, Philippsburg-1 i UnterweserKina 1.9%:4 nova reaktora, ali stagnacija zbogugljena!


72/114

72

231

Osnovni

imbenici vezani uz daljnjuuporabu nuklearne energije

potreba za energijom, dostupnost i cijena fosilnihgoriva, konkurentnost i dostupnost ne-fosilnihizvora

problemi zagaivanja zraka, globalnogzagrijavanja, odrivog razvoja

briga za sigurnost energetske opskrbe,organizacija proizvodnje (utility)

stav javnosti, razvoj tehnologije

rjeavanje pitanja otpada

sigurnosti reaktora u Istonoj Evropi, borbi protiv proliferacije

odravanju nune tehnike ekspertize

Nuklearna katastrofa u ernobiluNuklearna katastrofa u ernobilu26.04.1986.26.04.1986.

irenje radioaktivnog oblakairenje radioaktivnog oblaka

Do sada kod 27 % od 200.000Do sada kod 27 % od 200.000spasioca nastupio invaliditet.spasioca nastupio invaliditet.

232

Nuklearna nezgoda u Fukushimi

11.03.2011. u 05:46 UTC, potres magnitude 9.0po Richteru i slijedi Tsunami s elom vala od 11do 14 metara

Automatski sustav u NTE Daiichi, Fukushimauspjeno ulae kontrolne ipke u tri reaktora upogonu (kao i priuvne dizelske generatore zapotporu hlaenju

Po udaru tsunamija ostaje raditi samo jedangenerator, ogranieno hlaenje, bez izravnekontrole reaktora, gotovo bez instrumentacije

Raste temperature i dolazi do eksplozije vodikau reaktorima 1, 2 i 4 i mogue proliferacijeradioaktivnog goriva u 1, 2 i 3

Zbog porasta radionuklida u atmosferievakuacija u promjeru od 20 km (i ire, na slici)

16.12.2011. stabilizacija: stanje hladne obustavepogona (temp. u reaktoru ispod 100 oC)

Nuklearna nezgoda uNuklearna nezgoda u FukushimiFukushimi11.03.2011.11.03.2011.

podruje evakuacijepodruje evakuacije


73/114

73

233

2.3. Nuklearna goriva

2.3.1. Fisija (dodatno)

234

Fisijski produkti (produkti raspadanja)

Tijekom lanane reakcije raspadale su se jezgre U-235 i U-238, a dio sejezgara U-238 uhvatom neutrona pretvorio u plutonij. Po toni istroenoggoriva potroeno oko 25 kg U-235 i oko 24 kg U-238.

Tokom rada proizvedeno je oko 35 kg produkata raspadanja, oko 9 kgplutonija, dok se ostatak sastoji od izotopa urana (najvie U-238).

Materijali u istroenom gorivu su radioaktivni, te se spontano raspadaju i

nakon to je gorivo izvaeno iz reaktora. Radi se o smjesi razliitihradioaktivnih izotopa od kojih neki imaju vrlo kratka, a neki i vrlo dugavremena poluraspada.

Generirana snaga produkata raspadanja nakon obustave reaktora:

P0 snaga reaktora prije obustave, t0 vrijeme rada reaktora u danima, t vrijeme rada i obustave u danima

])[(0061,0 2,02,0

00

= tttPP


74/114

74

Smanjivanje aktivnosti jezgre reaktorasnage 1100 MW nakon obustave pogona

235

Radi oslobaanja topline mora se istroeno gorivo najmanje nekoliko mjeseci

hladiti prije bilo kakvog postupka s takvim gorivom. Hlaenje: u dubokim bazenima u

kojima se gorivo nalazi ispod slojaod nekoliko metara vode (i kaozatita od radioaktivnog zraenjai kao rashladno sredstvo).

Gorivo koje je odlealo vie godina ubazenima moe se spremiti i usuha spremita jer vie nije potrebnotako efikasno hlaenje budui darazvijena toplina s vremenom postajesve manja.

Konano ipak treba istroeno gorivoodloiti u spremita u kojima estalno ostati i tokom sljedeih stoljea.

236

Odlaganje nuklearnog otpada

nisko radioaktivni otpad kole, bolnice,industrija, nuklearna elektrana

visoko radioaktivni otpadradijacija: fisijski produkti, aktinidi otrovnost,problem ovisan o nainu odlaganja


75/114

75

237

Visoko radioaktivni otpadVisoko radioaktivni otpad

fisijski produkti Aktinidi

Nuklidi Poluraspad (god.) Nuklidi Poluraspad (god.)

Sr-90 28,8 Np-237 2,110 6

Tc-99 210.000 Pu-238 89

Ru-106 1,0 Pu-239 2410 3

Sb-125 2,7 Pu-240 6,810 3

Cs-134 2,1 Pu-241 13

Cs-137 30 Pu-242 0,3810 6

Pm-147 2,6 Am-241 458

Sm-151 90 Am-243 7,610 3

Eu-155 1,8 Cm-244 18,1

238

FPMA + FP

Spent fuel(Pu + MA + FP)

Natural uranium ore

Time (years)

Relativeradiotoxicity

FPMA + FP

Spent fuel(Pu + MA + FP)

Natural uranium ore

Time (years)

Relativeradiotoxicity

Radioaktivnost kroz vrijeme


76/114

76

239

Proizvodnja el. energije karateristike NE

Karakteristino visoki

investicijski trokovi Znatno manja ovisnost trokova

o gorivu mala potronja ivisoki faktor optereenja (nasvjetskoj razini oko 80%)

Relativno mali trokoviodravanja i pogona po kWh(zbog velike koliineproizvedene energije)

Bez emisije CO2

Znaajniji dekomisijski trokovi,te trokovi odlaganja istroenog

goriva (radioaktivnog otpada)

240

Radni vijek fisijske nuklearne elektrane godine ulaska u pogon

Izvor: IAEA, 2012.


77/114

77

241

Radni vijek fisijske nuklearne elektrane starost reaktora u pogonu

Izvor: IAEA, 2012.

242

Potronja nuklearne energije u svijetu- predvianja do 2050.

Moratorij na izgradnju nuklearnih elektrana : Belgija, Njemaka, Nizozemska,panjolska, vedska

Nakon Fukushime: Njemaka donijela zakon (06.2011. o postpunom trajnomgaenju svih reaktora do 2022.)

Bez moratorija: Finska, Francuska, Velika Britanija

Do danas u Hrvatskoj postoji moratorij ne samo na izgradnju NE, vei na

istraivanja!!! Tendecija ukidanje moratorija. Zemlje u razvoju: porast izgradnje i udjela, osobito Kina

Tri scenarija IEA vezano uz klimatske promjene (vie u 4. pog.):

1. Scenarij trenutnih mjera uzima u obzir one mjere koje suformalno usvojenedosredine 2010. (Kyoto protokol...)

2. Scenarij novih mjera pretpostavlja opreznu primjenu nedavno najavljenih obveza iplanovanpr. EU3x20 i sl.

3. Scenarij 450usklaen s ciljem ogranienja u porastu temperatura za 2OC(scenarij2OC)


78/114

78

CO2 emisije i mjere za postizanje scenarija 450 (2OC)

243

Najvanije mjere: energetska uinkovitost (4. pog.), potom OIE (3. pog.), paCCS (hvatanje i spremanje ugljika) (4. pog.)

Nuklearna energija ograniena mjera (9%) stav javnosti i pitanje sigurnosti osobito nakon Fukushime kraj, stagnacija, porast?

Nuklearna energija kao mjera borbe protiv klimatskih promjena

Izvor: IEA, WEO 2010.

244

Procjena koritenja nuklearne energije do 2030.

Izvor: IAEA, 2012.


79/114

79

245

PregledPregled

Prirodan neobnovljiv izvor energije

Sloena razvijena tehnologija

Kontroverzna prihvatljivost - potrebe i rizici

Znaajan izvor elektrine energije danas

Veliki potencijal za budunost

Jedini stvarni potencijal za borbu protiv CO2

Zamreni trokut tehnologije-javnosti-politike

Budunost neizvjesna

Ogroman potencijal: fuzija!

246

2.3. Nuklearna goriva2.3.2. Fuzija (dodatno)


80/114


81/114

81

249

Sunce

Termonuklearna fuzija vodika4 H prelazi u He

Pozitron

Neutrino

DeuterijVodik

Helij 4

Helij 3

Termonuklearno:pribliavanje dva pozitivna naboja

zahtjeva veliku brzinu = veliku temperaturu

250

Termonuklearna fuzija vodika: 4 H => He

4 H = 4 x 1.673 x 10-27kg = 6.693 x 10-27kg1 He = 6.645 x 10-27kg

____________________________________Razlika u masi = 0.048 x 10 -27kg

E = m c2

=(0.048 x 10-27kg) * (3 x 108m/s)2

= 4.3 x 10-12J

1 kg H-bombe pretvara se u energiju od 20 Mt reda Tt svake sekunde griju sunce


82/114

82

251

PrimjerPrimjer nunukklearlearnene fufuzziijeje

deuterij + tricij helij + neutron

Jezgre dva izotopa vodika,deuterija (D) i tricija (T)spajanjem proizvode jezgruhelija (He) i neutron (n). Usvakoj reakciji oslobodi se i17.6 MeV (2.8 pJ) energije:

D + T -> 4He (3.5 MeV) + n(14.1 MeV)

252

Test prve H-bombe Mike

Nov. 1, 1952. (10megatona 80 milijunatona zemlje ispareno).

H-bomba isprobana1.2.1954. na Bikinima -15 megatona.Rusi su isprobali H-bombu 100 megatona.

HH--bombbombaa

160 km

13 km

43 km


83/114

83

253

Termonuklearna ili H-bomba

eksploziv, fisijsko gorivo, D, T i Li.

Prvo se aktivira obini ekploziv, potom fisijska reakcija grije na 10 MK ipokrene fuzione reakcije.

2D + 3T 4He + n + 17.6 MeV

n + 6Li T + 4He (= 942 b)

n + 7Li T + 4He + n (= 0.045 b)

Neutronska bomba je fisijska bomba koja primarno oslobaa neutrone.

Kobaltna bomba je prljava bomba koja ubija zraenjem (60

Co). Zemlje koje posjeduju H-bombe: SAD, Rusija, V. Britanija, Francuska iKina.

254

Nuklearna fuzija za energiju - istraivanje

Skupo i zahtjeva meunarodnu suradnju.

Plazma odravana torusom prua nade u uspjeh.

Temperature: 10 MK Rusi postigli 1968. u Tokamaku i kasnije 100 MK.

Jako magnetsko polje se stvara i supravodiima.

Jednakost ulaganja i proizvodnje energije ostvareno 1995.

Princeton Large Torus postigao 510 MK prije dekomisije 2002.

Simulacije na snanim paralelnim raunalima omoguavaju realistinovizualiziranje ponaanja plazme.

Razumijevanje ponaanja plazme sluilo je kao podloga za nove eksperimente(npr. NSTX - National Spherical Torus Experiment).

Pored optimiranja konfiguracije plazme i druga istraivanja su vana:- eksperimenti s goruom plazmom,- testiranje fuzijskog materijala i komponenti,- demonstracijska elektrana (ITER)


84/114

84

255

Nuklearna fuzija i plazma

Mjeavinu D i T treba zagrijati na 10miliijuna stupnjeva!Na tojtemperaturi sve jeplazma.

Plazmaje makroskopski neutralnakolekcija nabijenih estica.

Ioni (gole jezgre) na visokojtemperaturi imaju veliku kinetikuenergiju i pribliavaju se na 1 fm razmak dovoljan da nuklearne jakesile uvjetuju fuziju.

256

Tokamak fuzijski reaktor

Najvei izazov: razumijevanje i kontrola plazme. Problem: magnetske i inercijskeneistoe sadraja.

Shema ITER tokamak fuzijskog reaktora


85/114

85

257

Tokamak fuzijski reaktor

TEXTOR tokamakfuzijski reaktor u

izgradnji

NSTX - NationalSpherical Torus

Experiment

Unutranjost Europskog JETtokamak fuzijskog reaktora

258

Plazma izoblii magnetsko polje ili savija magnetske linije


86/114


87/114

87

261

International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)

Izgradnja betonskog seizmikog temeljatokamak kompleksa

Lokacija ITER projekta

Od sijenja 2007. poinjegradnja (priprema terena)

180 hektara u St-Paul-lez-Durance, regija Provence-Alpes-Cte d'Azur (blizina Nice), junaFrancuske

Tu je smjeten i Francuskinuklearni istraivaki centar CEA(Commissariat l'EnergieAtomique).

Izvor: www.iter.org

262

Razvoj ITER-a

Ako sve bude po planu ITER e se poeti sastavljati2015., zavriti do 2019., amoda proradi do 2020.

Do 2027. planiran poetakrada deuterij-tricijreaktora

za proizvodnju el. en.

Ukoliko financiranje budedostatno.

Komercijalni rad ???

Izvor: www.iter.org


88/114

88

263

Otvorena kritina pitanja za komercijalizaciju:

1. Pretpostavke koritene u dizajnu fuzijskog reaktora (fizikalne i teholoke)

2. Razvoj fuzijskih materijala (testriranje na radijaciju)

3. Razvoj odrive koliine tricija poslije ITER-a (uzgojni pokrivai..)

4. Rjeenja za saniranje ispuha plazme (krute estice, toplina - vee no u ITER-u)

5. Pouzdanost rada i ivotni vijek posve nove vrste postrojenja

6. Mogunost odravanja na daljinu i dr.

264

Fisija (PWR)

Fuzija konvencionalni materijal

Fuzija- niskoaktivni materijalUgljen

Tricij iz fuzije

RadiotoksinostRadiotoksinost -- uspredbauspredba


89/114

89

265

0

5

10

15

20

25

30

1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 PredvieniOntario(OPG)Tritium

Inventory(kg)

Raspoloivost tricija

Potronja tricija u fuzijskom DT objektu iznosi:55,8 kg/god na 1000 MWfuzijske snage (Previe!). Trenutna cijena tricija je 30 M$/kg. fisijski reaktorimogu proizvesti samo2-3 kg na godinupo200 M$/kg!!Treba desetine

fisijskih reaktora za jedan fuzijski reaktor. Za pokretanje fuzijskog postrojenja treba 5-10 kg tricija. Veliki DT eksperimenti

poput ITER-a moraju sami proizvoditi tricij za uspjean rad.

Svjetski maksimum dobave Tricija 27 kg

Tricij se raspada 5.5% godinje

266

Hladna nuklearna fuzija i elektroliza

Hladna fuzijase odnosi na fuziju prisobnoj temperaturi.

Pons i Fleischmann: elektroliza otopinesoli litij-oksida u tekoj vodi (0.1 molLiOD na litru D2O). Elektrode od

paladija. Neoekivana toplina unitilaopremu, tvrde da je paladij kataliziraohladnu nuklearnu fuziju.

injenice nedostatne i nitko nije ponoviorezultat.


90/114

90

2.4. Geotermalna energija

268

Energija Zemlje (geotermalna)

Isti sastav poput Sunca, a hlaenjem postupno nastaje Zemljina kora (krutidio debljine do 50 km)

kora

omota

vanjska jezgra

unutarnja jezgra

Zemlja


91/114

91

269

Prosjeni temp. gradijent Zemlje: 1 [K] / 33 [m]; a kore 0.3 [K] / 33 [m],visoki temp. gradijenti u podrujima jakih seizmikih aktivnosti

2800C

4000C

4000 km

6370 km

2000 km

30 km

5150 km

~1000C

kora

omota

vanjska jezgra

unutarnja jezgra

270

Geotermalni temperaturni gradijent raste s dubinom

30OC/km

Kopno pliva: Mohorovievdiskontinuitet, seizmiki odreenagranica kopna i omotaa.


92/114

92

271

Granice tektonskih ploa

272

Osnovne znaajke geotermalne energije

Izvorna toplina i radioaktivni raspad (~40%)

Dva naina prijelaza topline:

1. Kondukcija(litosfera): prijelaz topline bez pomicanja materije

2. Konvekcija(omota): prijenos topline gibanjem materije

Temperaturni gradijent 30C/km pri povrini i onda slabi

Procjena je da u sreditu (6370 km) ima temperaturu do 6000 C.Toplina iz 100 km dubine treba oko 0,1 milijardu godina do povrine.

Prosjena dnevna koliina energije koja se dovodi na povrinu od 3,3do 7,5 kJ/m2na dan

Prosjena energija s obzirom na povrinu Zemlje: 2.8 1015kJ/dan ili0.27 106TWh/god


93/114

93

273

Konvekcija:

procesi tektonskih ploa

Kondukcija:geotermalni spremnici

274

Pojavni oblici: topla voda, suha para, tople stjene

Temperature i do 350 C, tlakovi i preko 70 MPa

Rezerve, tj. koliina toplinske energije ovise o dubini:

-do dubine od 10 km ima oko 30 1015(milijuna milijardi) teu

- do dubine od 3 km ima 1 1015teu, pri emu skoro 90% ispod100 C i samo oko 3% preko 150 C

Oko 7% (do 3 km) se koristi sa povrine Tek oko 1% ima potencijal za proizvodnju el. energije (do

ukupno 350 TkWh)

Uporaba: Mogue primjene vezane za temp. gradijent jer setoplinska energija moe iskoristiti samo ako postoji razlika utemperaturi.

Prema trenutno razvijenoj tehnologiji mogue primjene su: izvorivrue vode i pare (izravna uporaba), toplinske crpke teenergija suhih stijena.


94/114

94

275

Izvori vrue vode i pare na povriniIzvori vrue vode i pare na povrini

276

Vrua voda i para na povriniVrua voda i para na povrini

FilipiniFilipini -- Mt.Mt. MayonMayon, pokrajina, pokrajina AlbayAlbay

NikaragvaNikaragva -- ElEl HoyoHoyo


95/114

95

277

Uporaba geotermalne energije

Najee koritenje geotermalne energije ostvaruje se konvektivnimprenoenjem topline pomou fluida, koji je obino topla voda ilismjesa vrele vode i pare, uz nazonost raznih primjesa (plinovi, soli,minerali ).

Toplinska energija geotermalnog leita sadrana u geotermalnomfluidu kod nekog tlaka i temperature, koristi se:

1. Izravno za zagrijavanjeili

2. Za pretvorbu u elektrinu energiju.

Mogunost koritenja toplinske geotermalne energije izravno ili zapretvorbu u elektrinu energiju u ovisnosti o radnoj temperaturi

geotermalnog fluida.

278

Uporaba geotermalne energije


96/114

96

279

Izravna uporaba izvora vrueIzravna uporaba izvora vrue

vode i parevode i pare

Djelatnost T ( C)

Prerada mesa 60-93

Proizvodnja sira 38-93

Prerada mlijeka 71-204

Dehidracija voa i povra 71-177

Zamrzavanja voa i povr a 77-100

Suenje itarica 49-175

Rafiniranja eerne repe 60-134

Proizvodnja jestivog ulja 71-204

Proizvodnja pia na bazislada

76-204

Destilacija estokih pia 99-204

Proizvodnja cigareta 104

Prerada pamuka 93-135

Proizvodnja papira 99-188

Najjednostavniji i najperspektivnijinain iskoritavanja geotermalneenergije u turizmu, poljoprivredi,industriji i komunalnom grijanju.Moe biti samostalna ilikombinirana sa drugim(konvencionalnim) nainimaproizvodnje toplinske ili el. energijeiz geotermalnog izvora.

T

[oC]

Izravna uporaba geotermalne energije (ilustracija nekih primjena)

160

140

120100

80

60

40

20

280

Osnovni izgled geotermalnog postrojenja za komunalno grijanje

Geotermalnatoplana

Potroai

Nalazite

Proizvodnabuotina

Povratnabuotina


97/114

97

281

Grijanje prostora

Energija geotermalnogizvora se izravno ili prekoizmjenjivaa topline (ovisnoo istoi geotermalnogfluida) dovodi do potroaatopline.

Za potrebe dogrijavanja ilipotronje u vrnim satimakoriste se toplinske crpke ilikotlovi na klasina goriva.

282

Toplinske crpke

Mogunost crpljenja topline iz okolinekoritenjem krunog termodinamikogprocesa esto se primjenjuje za grijanje (ihlaenje) u razvijenom svijetu.

Tzv. toplinske crpke esto se spominjuzajedno sa geotermalnim izvorom energije.

Dok se vanjska prosjena mjesenatemperatura zraka, za nae kontinentalnopodruje, kree u rasponu od -5 do +25 oCtemperatura tla ostaje priblino konstantna(ovisno o podneblju od 6 do 8 oC) tijekomcijele godine vena dubini od 8 do 10 m.

Razlika prema zraku je iskoristiva i nadubini od 2 m gdje je godinji raspon od 3do 10 oC za suho tlo i par stupnjeva ire zavlano tlo.

Srednjatemp. u zemlji

LjetoZima

Lagano suho tloProsjeno tlo

Vlano tlo

Temperatura tla (oC)

Dubinaispodpovrine(m)

Tipina varijacija temperature tla


98/114

98

283

Takav odnos temperatura u tlu i

potrebne unutarnje temperature u kuiili zgradi predstavlja potencijal zaisplativo i racionalno zagrijavanje(hlaenje) s koeficijentom djelovanja od3 do 6 (omjer dobivene toplinskeenergije i uloene el. energije).

Ukupna djelotvornost ovisi pokraj stalnemanje razlike temperatura i o koritenojtehnologiji a posebno o konkretnojizvedbi (vodoravno, okomito, podzemnevode i drugo).

Koritenje toplinskih crpki u razvijenomsvijetu na daleko je veoj razini od

situacije u Hrvatskoj . Razlog: poetnojeftiniji klima ureaji sa mogunoucrpljenja topline iz zraka ali koji imajurelativno mali koeficijent djelovanja.

Temperatura tla neovisna je o

sunevom zra

enju i zbog slabetoplinske vodljivosti tla konstantnija u

odnosu na zrak kroz godinu na veojdubini i kod manje vlanog tla.Time jerelativna razlika prema temperaturiokolice razmjerno velika tijekomveeg dijela godine.

Razne vrste sustava toplinskeRazne vrste sustava toplinske crpkecrpke

Vodoravni kruni:zauzima najviezemlje, jeftinije,

male zgrade,ali temperatura

dosta varira

Okomiti:stjenovito tlo,skuplji, trebamanje zemlje,visoka efikasnost

Kruni u jezeru:jeftinije,

problemi s vodom,uvjetovanilokacijom

Otvoreni:jeftinije,problemi s vodom

284


99/114

99

285

Toplinske crpke:

grijanje vode, hla

enje zraka

Toplinske crpke:grijanje vode, grijanje zraka

286

Za

Neogranieno, stalno,isto

30-60% manja proiz. cijena

Grijanje, hlaenje i topla voda

Nema emisije CO2, fosilnih gor.

Gotovo bez odravanja

Protiv

Poetno ulaganje

Potronje el. energije, vode

Prepreke za instalaciju

Uporaba sredstva za hlaenje

Zaleivanje, popravci

Godinji trokovi grijanja i zagrijavanja vode, SAD, procjena:- plin: 920 USD- elektrina energija: 820 USD- geotermalna: 640 USD


100/114

100

287

Proizvodnja elektrine energije koritenjem geotermalnog izvora

Prva termoelektrana na geotermalnom izvoru sagraena je u Larderellu uToskani 1904.

U principu geotermalne elektrane sline su klasinoj konverziji unutarnjetoplinske energije iz konvencionalnih izvora toplinske energije (npr. ugljen).

Slinost prestaje kada je rijeo injenici da treba otkriti dobro geotermalnonalazite i da je za to potrebno napraviti buotinu (ili vie njih) od nekoliko km.Dodatno, kod geotermalnih izvora vrlo su rijetki sa parametrima medija blizuparametara klasine termoelektrane.

Razlikujemo tri tipa elektrana:

1.Elektrane na suhu paru

2.Flash steam elektrane sa

separiranjem mokre pare3.Elektrane sa binarnim ciklusom

288

Elektrane na suhu paru

Najstarije prva izgraena u Italiji (Lardello), 1904. Koristi spremnikpare (visoke temp.), isputa samo paru i tragove plinova. Samo zaizvore suhe pare rijetko!


101/114

101

289

Flash steam elektrane sa separiranjem mokre pare

Izvedena u Novom Zelandu, koristi visoku temperaturu (>200C), ispremnik vode pod tlakom, vri se separiranje (odvajanje) suhe pareod ostatka, isputa samo paru i tragove plinova

290

Elektrane s binarnim ciklusom

Za izvore s T


102/114

102

Elektrana sa separiranjem pare i binarnim ciklusom

Vrui geotermalnifluid

Proizvodna buotina Povratna buotinaPovratna pumpa

Predgrija

Separator

Ispariva

Generator

Turbina 1.

nivoTurbina 2.

nivo

Kondenzator

Hladni geotermalnifluid

Pumpa za kond.fluid

Kompresor zanekondenzibilne

plinove

291

292

Problemi s uporabom geotermalne energije:

Precizno simuliranje kemije rastopljenih stijena i karakteristika nalazita,kiselost vode, otopljene soli i plinovi mijenjaju svojstva pare

Separiranje pare od vode, injektiranje hladne vode izaziva probleme

Seizmike aktivnosti rastu sa iskoritavanjem geotermalnog izvora

Jeftina nafta i prirodni plin

Iscrpljivanje nalazita, visoka cijena buenja

tete i promjene prirodnih ljepota i turistikih atrakcijaPrednosti geotermalne enegije na fosilnim gorivima

Manje emisija, manje povrine, manje transporta

Vea raspoloivost (iako zemljopisno reducirana)

Recikliranje i iskoristivost

H2S se odvaja i koristi za proizvodnju sumporne kiseline

Metali poput cinka se izdvajaju i prodaju

Razliite naslage se mogu izdvojiti i koristiti npr. u graevinarstvu


103/114

103

293

COCO22eemisimisijaja

0

100

200

300

400

500

600

700800

900

1000

CO2

(kg/MWh) Ugljen

Nafta

Prirodni plin

Geotermalna

VjetarVjetar S Sunceunce Hidro ( Hidro (konvkonv.) Prosjek.) Prosjek BiomasBiomasaa FosilFosilnana GeotermaGeotermalnalna

Raspoloivost

Raspoloivost[%]

[%]

0

20

40

60

80

100

2.4. Geotermalna energija (dodatno)


104/114

104

295Slika

Tople stijeneTople stijene

SeiSeizzmimikaka ttomograomografijafija koristikoristivrijeme puta vala zavrijeme puta vala zakreiranjekreiranje 33--DD slikaslikaunutarnjosti Zemljeunutarnjosti Zemlje

Tomografski presjeciotkrivaju tople i hladnestijene

Prednjae kapacitetomunutarnje toplinske energije,ali su najtee iskoristive.

296

Europski geotermalnipotencijal (za suhe vrue

stijene na 5 km dubine)

Dostupne temperature se kreuizmeu 150 i 300 oC na dubinamaod 2,5 do 6 km.

Najvei problem koritenjupredstavlja preuzimanje toplinskeenergije. Da bi se preuzela toplinapotrebno je dovesti medij (npr.vodu) i ostvariti kontakt sa vruimstijenjem. Postoje razne ideje ostvaranju pukotina, a sve je jouvijek u istraivanju.)EGS enhaced geothermalsystem


105/114

105

297

EGS enhaced geothermal system

1. Utisni zdenac (Injection well)Bui se u toplu stijenu ograniene permeabilnosti ifluidnog sadraja, na dubinama veim od 1.5 km.2. Utiskivanje vodePod tlakom dovoljnim za frakturiranje ili otvaranjepostojeih pukotina razvoj rezervoara na temeljnojtoploj stijeni.3. Hidro-frakturiranjeNastavak utiskivanja na vee udaljenosti od buotinepreko cijelog rezervoara i tople temeljne stijene.Kljuan korak EGS procesa.4. Proizvodni zdenac (Production well)Bui se s namjerom kruenja vode i crpljenja toplineiz rezervoara tople stijene s poboljanom

permeabilnosti.5. Dodatna proizvodnjaDodatni proizvodni zdenci za rezervoare s velikimobujmom radi zadovoljenja potreba topline zaproizvodnju

Izvor: IEA, GeothermalEnergy Roadmap 2012

298

Geotermalni resursi (rezerve)

Ulaganje u geotermalnu energiju visoko je rizina investicija. Razvoj je rizian ikvaliteta izvora nesigurna uz skupa ispitivanja, buenja i testiranja. Poloajizvora treba biti blizu potrebe za koritenjem. Ipak, uz potporu Francuska iIsland demostrirali su uspjean i odriv razvoj.

Industrija EU je glavni dobavljainenjerske opreme, pored SAD i Japana.

Praktino iskustvo predstavlja solidnu podlogu za konkurentno koritenjegeotermalne energije u svim podrujima od interesa.

Najkonzervativnija procjena svjetskih resursa geotermalne energije prema(Cataldi, 1999) iznosi 5000 EJ, od toga se smatra 10% potencijalno iskoristivimza 100 godina.

Uz pretpostavku da je 75

osnove energetike (1. dio)

Documents