UVODNO 2009. Obnovljivi izvori energije Najvažnije vrste, potencijal i tehnologija Doc.dr.sc. Damir.Šljivac, Doc.dr.sc. Zdenko Šimić [email protected]
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
UVODNO
2009.
Obnovljivi izvori energije
Najvažnije vrste, potencijal i tehnologija
Doc.dr.sc. Damir.Šljivac, Doc.dr.sc. Zdenko Šimić
z d e n k o . s i m i c @ f e r . h r
Sadržaj: 1. UVODNO O OBNOVLJIVIM IZVORIMA ENERGIJE............................................ 1
1.1. Potreba za obnovljivim izvorima energije................................................... 1 1.2. Osnovni izvori i oblici energije .................................................................. 3 1.3. Svojstva obnovljivih izvora energije ........................................................... 6 1.4. Trenutno stanje korištenja obnovljivih izvora energije .............................. 14
2. REGULATIVA OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE.............................................. 17 2.1. Direktiva EU o obnovljivim izvorima ........................................................ 17 2.2. Obnovljivi izvori energije u hrvatskim zakonima ...................................... 20
3. ENERGIJA BIOMASE ...................................................................................... 27 3.1. Vrste i osnovne zna�ajke biomase .......................................................... 27 3.2. Tehnologije proizvodnje energije iz biomase ........................................... 29 3.3. Potencijali i proizvodnja biomase ............................................................ 43
4. ENERGIJA VJETRA.......................................................................................... 48 4.1. Snaga i energija vjetra i vjetroagregata................................................... 48 4.2. Podjela i dijelovi vjetroelektrana.............................................................. 54 4.3. Princip rada vjetroelektrane u EES i izbor generatora............................... 59 4.4. Kriteriji priklju�enja vjetroelektrane na mrežu......................................... 64 4.5. Tržište energije vjetra i stanje u Hrvatskoj................................................ 69
5. ENERGIJA SUN�EVOG ZRA�ENJA ................................................................ 73 5.1 Potencijal Sun�eva zra�enja ..................................................................... 73 5.2 Toplinska primjena .................................................................................. 78 5.3 Proizvodnja elektri�ne energije................................................................. 83 5.4. Zaklju�no................................................................................................ 91
6. GEOTERMALNA ENERGIJA ............................................................................ 92 6.1 Porijeklo i priroda geotermalne energije .................................................. 92 6.2 Geotermalni resursi ................................................................................. 94 6.3. Direktno korištenje geotermalne energije za grijanje............................... 96 6.4. Korištenje geotermalne energije za proizvodnju elektri�ne energije ......... 98
7. ENERGIJA POLOŽAJA VODE........................................................................ 101 7.1. Hidroenergetski resursi ......................................................................... 101 7.2. Snaga i energija HE .............................................................................. 104 7.3. Hidroelektrane...................................................................................... 106 7.4. Turbina i generator male HE ................................................................. 108 7.5. Zaklju�no.............................................................................................. 112
Literatura: ....................................................................................................... 113
1
1. UVODNO O OBNOVLJIVIM IZVORIMA ENERGIJE
1.1. Potreba za obnovljivim izvorima energije Suvremeni elektroenergetski sustavi uglavnom su razvijeni tijekom posljednjih 50 godina. Razvoj je slijedio ideju vodilju prema kojoj su veliki središnji generatori preko transformatora injektirali elektri�nu snagu u visokonaponsku prijenosnu mrežu. Zatim je prijenosni sustav korišten za transport snage, �esto i na velikim udaljenostima. Na kraju, snaga je iz prijenosnog sustava preko serije distribucijskih transformatora usmjeravana kroz srednjenaponsku i niskonaponsku distribucijsku mrežu prema potroša�ima na nižem naponu. Me�utim, odnedavna se ponovno pojavilo zna�ajno zanimanje za priklju�enjem proizvodnih objekata na distribucijsku mrežu. Ova je namjera poznata kao distribuirana proizvodnja elektri�ne energije (eng. distributed or dispersed or embedded generation) [17].
Konvencionalni ustroj suvremenih elektroenergetskih sustava nudi veliki broj prednosti. Ve�e proizvodne jedinice mogu biti u�inkovitije te su u pogonu s relativno manjim brojem pogonskog osoblja. Povezane visokonaponske prijenosne mreže omogu�uju minimiziranje zahtjeva za snagom pri�uve generatora. Veliki iznosi snage mogu biti prenijeti na velikim udaljenostima uz ograni�ene gubitke. Distribucijske mreže mogu se u tom slu�aju projektirati za jednosmjerne tokove snaga i dimenzionirati samo za potrebe potroša�kih optere�enja. U posljednjih nekoliko godina pojavilo se više utjecaja �ije je kombiniranje dovelo do pove�anog zanimanja za distribuiranu proizvodnju iz obnovljivih izvora energije (smanjenje emisije CO2, programi energetske u�inkovitosti ili racionalnog korištenja energije, deregulacija i natjecanje, diversifikacija energetskih izvora, zahtjevi za samoodrživosti nacionalnih energetskih sustava…). Utjecaj na okoliš jedan je od zna�ajnih faktora u razmatranju priklju�enja novih proizvodnih objekata na mrežu. Na temelju Kyoto Protokola mnoge zemlje trebaju smanjiti kombiniranu emisiju stakleni�kih plinova razvijenih zemalja za otprilike 5 % u odnosu na vrijednost iz 1990. godine, u razdoblju od 2008. do 2012. godine. Zemlje Europske unije preuzele su obvezu smanjenja emisije stakleni�kih plinova za 8%, dok je za Hrvatsku o�ekivano smanjenje za 5 %. Tablica 1.1. Rezultati smanjenja emisije stakleni�kih plinova u % u odnosu na 1990. godinu.
Zemlje 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Cilj
Kyoto protokola:
EU 25 91.9 92.1 94.2 92.8 92.3 90.8 90.7 91.7 90.9 92.4 92.7 92.0 EU 15 96.3 97.1 99.2 97.8 98.1 96.5 96.8 97.8 97.4 98.8 99.1 92.0 Hrvatska 69.0 70.4 72.5 77.4 78.1 81.3 81.2 84.9 88.7 93.8 94.6 95.0
2
Stvaraju se programi iskorištavanja obnovljivih izvora koji uklju�uju vjetroelektrane, male hidroelektrane, fotonaponske izvore, zemni plin, energiju iz otpada te iz biomase. Kogeneracijske sheme koriste otpadnu toplinu termalnih proizvodnih objekata bilo za industrijske procese ili grijanje te su vrlo dobar na�in pove�anja ukupne energetske u�inkovitosti. Obnovljivi izvori imaju znatno manju energetsku vrijednost u usporedbi s fosilnim gorivima zbog �ega su njihove elektrane manje veli�ine te geografski široko raspodijeljene i priklju�uju se uglavnom na distribucijsku mrežu. S jedne se strane nalaze inženjeri motivirani iskustvenim spoznajama o složenosti pogona elektroenergetskog sustava koji iskazuju zabrinutost u pogledu elementarne ostvarivosti masovnog uvo�enja nereguliranih i neupravljivih generatora u elektroenergetsko, a posebice distribucijsku mrežu. S druge se pak strane nalaze entuzijasti�ni zagovara�i izvora obnovljive energije poput vjetroelektrana i kogeneracije elektri�ne i toplinske energije (eng. combined heat and power, CHP) koji vjeruju da takve proizvodne jedinice nužno treba uvoditi u pogon kako bi se ispunili doma�i i me�unarodni zahtjevi za smanjenjem emisije CO2. Štoviše, obnovljivi izvori pove�avaju samoodrživost elektroenergetskog sustava u slu�ajevima eventualne energetske krize u proizvodnji elektri�ne energije koja je danas ovisna o isporuci ugljena, plina i nafte.
Slika 1.1. „Tri vala“ fosilnih godina i potreba za obnovljivim izvorima energije
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060
% S
hare
Biomass
Coal
Oil
Gas
Water & Wind
Other Renewables
BiomasaUgljenNaftaPrirodni plin Voda i vjetar Ostali OIE
% P
otro
šnje
3
1.2. Osnovni izvori i oblici energije 1.2.1. Osnovni izvori energije Osnovni izvori energije koje nalazimo u prirodi su: energija Sunca, energija Zemlje i energija gravitacije. A. Energija Sunca Velika koli�ina toplih plinova, jake gravitacijske sile ubrzavaju atome plinova prema središtu - podiže se unutarnja temperatura (na 107 K) i tlak (na 1014 Pa), pri �emu se kidaju elektroni iz atoma i mješaju s jezgrama u plazmu � termonuklearna fuzija vodika. Oslobo�ena energija prenosi se prema površini, te zra�enjem u svemir, uz opadanje temperatura (na površini 5760 K). “Mali” dio energije Sunca koji dolazi na Zemlju = 1.5 � 109 TWh (s tim da se od toga 30% reflektira u svemir, a 70% na Zemlju = 1.05 � 109 TWh). To zna�i da je godišnja energija Sunca ve�a od ukupnih rezervi nafte i ugljena zajedno! Pri tome se ve�i dio energije dobija posredno: 1. Fotosinteza (kemijska energija biljaka, rezultat: hrana, te unutarnja energija drveta, biomase i fosilnih goriva) 2. Isparavanje (kruženje vode i vodene pare u atmosferi, rezultat: potencijalna energija vodotokova u odnosnu na morsku razinu) 3. Strujanje vode i zraka (kao posljedica razlika temperatura zraka i vode, rezultat: kineti�ka energija morskih struja i vjetra, te potencijalna energija morskih valova) Znatno manji služi izravno kao oblik energije (Sun�evo zra�enje). B. Energija Zemlje (geotermalna) Hla�enjem Zemlje postupno nastaje Zemljina kora (kruti dio debljine 50 km). Jezgra Zemlje: rastaljena materija na 5500 K i 345 � 109 Pa. Prosje�ni temperaturni gradijent Zemlje: 1 [K] / 33 [m]; a kore 0.3 [K] / 33 [m], visoki temperaturni gradijenti pojavljuju se u podru�jima jakih seizmi�kih aktivnosti. Prosje�na dnevna koli�ina energije koja se dovodi na površinu: 5.4 � 103 kJ/m2, što �ini energiju s obzirom na površinu Zemlje od 2.8 � 1015 kJ/dan ili 0.27 � 106 TWh/god. Mogu�e primjene vezane su za temperaturni gradijent jer se toplinska energija može iskoristiti samo ako postoji razlika u temperaturi. Prema trenutno razvijenoj tehnologiji mogu�e primjene su: toplinske crpke, izvori vru�e vode i pare, te energija suhih stijena. C. Energija gravitacije Posljedica gravitacijske sile izme�u Sunca, Mjeseca i Zemlje, koje utje�u na razinu vode u moru (plima i oseka), uz �ega su vezane i mogu�e primjene. Obi�no se javljaju dvije plime i oseke tijekom Mjese�evog dana i one se nazivaju poludnevne, a postoje i
4
jednodnevne kod kojih se tijekom Mjese�evog dana pojavljuje samo jedna plima i oseka. Razlika izme�u plime i oseke od nekoliko centimetara do 16 metara. 1.2.2. Osnovni oblici energije Osnovni oblici energije su nagomilana i prijelazna energija [2]. 1. Nagomilana energija - akumulirana u materiji (EN) - energija položaja (potencijalna), - energija kretanja (kineti�ka), - unutarnja energija Potencijalna energija – posljedica me�usobne privla�nosti Zemljine mase i mase tijela iznad Zemlje, u njenom gravitacijskom polju: (1.1) Kineti�ka energija – rad potreban da se tijelo mase m ubrza/uspori od brzine v1 do v2: ¸ (1.2.) Unutarnja energija – koncentrirana na razini jezgara, atoma i molekula: termi�ka - na razini molekula (dovo�enjem topline molekule mijenjaju brzinu gibanja, a time i nagomilanu energiju); kemijska - na razini atoma (energija se mijenja promjenom kemijskog spoja), te nuklearna – na razini jezgara (fuzija i fisija). 2. Prijelazna energija - vezana uz proces (EP), kratkotrajna, pojavljuje se prijelazom oblika nagomilane energije s jednog tijela na drugo - rad (W), - toplina (Q), - zra�enje (X) Op�enito pri pretvorbi energije možemo definirati slijede�e oblike energije:
1. Primarna (prirodna) energija (u prirodnom stanju) 2. Sekundarna (pretvorbena) energija (od opskrbljiva�a – pripremljena, tj.
oplemenjena za transport i korisnika kroz tehni�ke procese) 3. Krajnja energija (korisniku predana energija – npr. elektri�na) 4. Korisna energija (kod korisnika primjenjena energija – mehani�ka,
toplinska, svjetlosna, kemijska) Me�utim, pri svakoj pretvorbi navedenom lancu nastaju gubici. Stoga je najvažniji zadatak energetike racionaliziranje pretvaranja raznih oblika primarne (prirodne) energije u krajnje (korisne) energetske oblike = racionalizicija uporabe energije.
2 1( )pW m g h h� � � �
2 22 1
1 ( )2kW m v v� � � �
5
1.2.3. Klasifikacija primarnih (prirodnih) oblika energije S obzirom na vremensku mogu�nost njihovog iscrpljivanja prirodni (primarni) oblici energije dijele se na [2]: 1. NEOBNOVLJIVI OBLICI ENERGIJE - Fosilna goriva (ugljen, nafta, zemni plin, uljni škriljevci), - Nuklearna goriva - Unutarnja toplina Zemlje (geotermalna energija) 2. OBNOVLJIVI OBLICI ENERGIJE - Vodne snage, (energija vodotokova, morskih struja i valova, plime i oseke), - Biomasa (i bioplin, uklju�uju�i i drvo i otpatke), - Energija Sun�eva zra�enja, - Energija vjetra Za razliku od neobnovljivih oblika energije, obnovljivi oblici energije NE MOGU se vremenom iscrpiti, ali je mogu�e u potpunosti iscrpiti njihove potencijale. Primjer: Utvr�ivanje najpogodnijih lokacija za gradnju HE odre�ene instalirane snage na odre�enom vodotoku i njihova izgradnja - potpuno iskorištenje isplativih energetskih kapaciteta vodotoka Dio obnovljivih izvora energije nije mogu�e uskladištiti i transportirati u prirodnom obliku (vjetar, zra�enje sunca), a dio jest (voda u vodotocima i akumulacijama, biomasa i bioplin) Izvore energije koje nije mogu�e uskladištiti treba iskoristiti u trenutku kad se pojave ili ih pretvoriti u neki drugi oblik energije. O�ite prednosti neobnovljivih izvora su: konstantost, bolja mogu�nost prilagodbe potrebama, uskladištenja i transporta u prirodnom obliku, manje investicije za izgradnju postrojenja za njihovo dobivanje, pretvorbu i uporabu, te pogon i održavanje (s obzirom na instaliranu snagu). Ipak najvažnije: ve�e tehni�ke mogu�nosti i bolja ekonomska opravdanost iskorištavanja neobnovljivih oblika energije (vezano uz razvoj metoda i postupaka) � razlozi njihovog ve�eg iskorištavanja do sada! Prirodne oblike energije prema fizikalnim svojstvima dijelimo još na nosioce: - Kemijske energije: ugljen i treset, sirova nafta, zemni plin, uljni škriljavci,
biomasa, bioplin, drvo i otpaci, - Nuklearne energije: nuklearna goriva - Potencijalne energije: vodne snage, plima i oseka - Kineti�ke energije: vjetar, energije struja i morskih valova - Toplinske energije: geotermi�ka, toplinska energija mora - Energije zra�enja: Sun�evo isijavanje Prema uobi�ajenosti uporabe prirodne oblike energije možemo podijeliti i na: - KONVENCIONALNE (fosilna goriva, vodne snage, nuklearna goriva i vru�i
izvori). - NEKONVENCIONALNE (svi ostali)
6
Konvencionalni obnovljivi izvori (oblici) energije - energija vodotokova (i to isklju�ivo velike HE), dok su svi ostali su nekonvencionalni!
1.3. Svojstva obnovljivih izvora energije 1.3.1. Op�a i pojedina�na svojstva nekonvencionalnih izvora energije Svojstva nekonvencionalnih izvora energije ne možemo promatrati izdvojeno od op�enito znanih svojstava konvencionalnih izvora, tek uspore�ivanjem s tim svojstvima možemo utemeljeno donositi kvalifikative nekonvencionalnih izvora. Neka svojstva nekonvencionalnih izvora su poželjna a neka nepoželjna. U tablici 1.2. iznose se neka važnija op�a i pojedina�na svojstva, ali u kojima pretežu poželjna svojstva. Zatamnjenja pojedinih polja u tablici zna�e ispunjenje i neispunjenje poželjnih svojstava:
Ispunjeno poželjno svojstvo
Djelomi�no ispunjeno poželjno svojstvo
Neispunjeno poželjno svojstvo
Tablica 1.2. Pretežno ispunjena poželjna svojstva nekonvencionalnih izvora [4]
Svojstvo izvora Poželjno MHE Su-T Su-E Vj. Bio. Geo.
Obnovljivost Ispunjena
Potencijal Što ve�i
Energija za postrojenja Što manja
Energija za pridobivanje Što manja
Emisija kod pretvorbe Što manja
Mogu�a diverzifikacija Ispunjeno
CO2-neutralnost Povoljna
Zna�enje kolona u tablici je: MHE = korištenje vodnih snaga u malim hidroelektranama Su-T = korištenje Sun�eva zra�enja toplinskim kolektorima Su-E = korištenje Sun�eva zra�enja fotoelektri�nim �elijama Vj. = korištenje energije vjetra vjetroelektranama Bio. = korištenje biomase i otpada Geo. = korištenje geotermalne energije
7
Obnovljivost pojedinog izvora energije najlakše pojmimo ako kažemo da je obnovljiv izvor onaj �iji se prosje�ni dotok svake godine ponavlja, bez smanjenja – barem za ljudsko poimanje vremena. U tom pogledu, svi promatrani nekonvencionalni izvori su obnovljivi. Geotermalnoj energiji izvor su energetski procesi u Zemljinoj nutrini koji �e prema ljudskom poimanju vremena trajati do sudnjeg dana, dakle prakti�ki do u nedostižnu budu�nost. U pogledu ogrjevnog drveta, istaknimo da je uvjet obnovljivosti neprekidno pošumljavanje prostora barem toliko da godišnji prinos bude jednak godišnjem iskorištenju drvne mase. Op�enito, nekonvencionalni izvori imaju ogroman potencijal – što je poželjno svojstvo. Sa Sunca na tlo Hrvatske dostruji približno 500 puta više energije nego li je godišnja hrvatska potrošnja svih oblika energije! Ipak, male hidroelektrane predstavljaju ograni�eni potencijal, kojega naprosto nema na znatnom dijelu ogromnih prostranstava globusa. Biomase predstavljaju velik ali ipak znatno manji potencijal od energije Sun�eva zra�enja. Geotermalna energija ima pri današnjem na�inu korištenja ograni�eni potencijal, ali prikriveni potencijal je ogroman, ako do�e do prihvatljivog korištenja topline Zemljine unutrašnjosti s velikih dubina. . Ima li se na umu energija potrebna za proizvodnju opreme i materijala koje treba ugraditi u postrojenja za korištenje nekonvencionalnih izvora, a ne samo toj energiji odgovaraju�i novac, onda izlazi da pojedini izvor mora neprekidno raditi nekoliko godina, da bi tek tada postao neto-proizvo�a� energije. A kako za pojedine oblike energije treba mnogo takvog materijala (temelji i nosa�i foto�elija i kolektora, same foto�elije i kolektori, visoki betonski ili �eli�ni stupovi vjetrogeneratora) to se energija za njihovu proizvodnju ne smije zanemariti. Naglašeni utrošak energije je pri proizvodnji foto�elija. Kod ve�ine nekonvencionalnih izvora nema utroška energije prilikom pridobivanja izvornog oblika (kao što postoji zna�ajan utrošak energije pri eksploataciji ugljenokopa), niti utroška energije za transport izvornog oblika, jer je transport u pravilu nemogu�. Treba naprosto postrojenja za pretvorbu nekonvencionalnog izvora u povoljniji oblik izložiti djelovanju tog nekonvencionalnog izvora. Jedino se kod ogrjevnog drveta, biomase i otpada javljaju ti utrošci energije (koji mogu biti toliko zna�ajni da cijela stvar postane neracionalna), primjerice za sje�u drvne mase, za pošumljavanje i uzgoj šume, za transport od mjesta sje�e do mjesta korištenja te za pripremu drveta za korištenje. Sli�no je s biomasom i otpadom, jedino tu može izostati utrošak pri uzgoju jer se uzgoj odvija neovisno od eventualnog energetskog korištenja, primjerice slama nastaje kao rezultat poljoprivredne proizvodnje pšenice te �e ili strunuti ili se energetski iskoristiti. Lokalno optere�enje okoline emisijom štetnih tvari ili bukom na mjestu pretvorbe nekonvencionalnog oblika energije u iskoristljiviji oblik op�enito je maleno ili ga uop�e nema. Ali korištenje vjetra izaziva buku, a sagorijevanje biomase izaziva emisiju plinova eventualno manje štetnih od konvencionalnih goriva jer prakti�ki nema sumpora (kao u ugljenu ili nafti). Ipak je emisija iz tih postrojenja nešto ve�a nego li iz konvencionalnih postrojenja, jer radi se o manjem stupnju djelovanja pri pretvorbi energije i manjim jedinicama. Emisija kod korištenja otpadaka može biti
8
i opasna ako se prethodno iz otpadaka (sme�a) ne izdvoje evidentno štetni sastojci. Najzna�ajnije prakti�no poželjno svojstvo nekonvencionalnih izvora energije je mogu�nost posvemašnje diverzificirane primjene. Prakti�ki, svi izvori nekonvencionalne energije – dakako ako se raspoloživi na promatranom mjestu – mogu se koristiti u malome, u vlastitoj režiji, djelomice ili potpuno u samogradnji – time se trošak rada kod instaliranja, pogona i održavanja prakti�ki dade izbje�i ili barem prikriti («radim za sebe, u slobodno vrijeme – dakle besplatno»). Kona�no, o kumulativnoj CO2-neutralnosti nekonvencionalnih izvora energije. Kumulativnoj, zna�i promatranoj u ukupnom lancu – od pridobivanja energije, izrade i montaže pogonskih ure�aja, do korištenja i zbrinjavanja nakon korištenja. Iako se �esto govori o CO2-neutralnosti apsolutno svih nekonvencionalnih izvora, naj�eš�e se misli na tu neutralnost prilikom pretvorbe nekonvencionalnog oblika u iskoristljiviji oblik i tada je takvo gledanje to�no. (Za biomasu, to je dakako ispunjeno samo ukoliko je godišnje iskorištavanje mase jednako ili manje od godišnjeg prirasta nove mase. Tada �e emisija CO2 pri korištenju te biomase biti jednaka imisiji CO2 prilikom fotosinteze te biomase.) Me�utim ako se ima na umu proizvodnja materijala za izgradnju foto�elija a donekle i kolektora, onda izlazi da je primjena Sun�evog zra�enja kumulativno «kvazi-CO2-neutralna», a emisija ostalih postrojenja podjednaka kumulativnoj emisiji CO2 iz konvencionalnih postrojenja. U tablici 1.3 daje se pregled pretežno neispunjenih poželjnih svojstava nekonvencionalnih izvora energije. Tablica 1.3. Pretežno neispunjena poželjna svojstva nekonvencionalnih izvora [4]
Svojstvo izvora Poželjno MHE Su-T Su-E Vj. Bio. Geo.
Površinska distribucija Ravnomj.
Površinska gusto�a Povoljna
Izvorno uskladištenje Mogu�e
Prirodna oscilacija Mala
Nužnost rezerve Ne treba
Zauzimanje prostora Povoljno
Stupanj djelovanja Povoljan
Mogu�nost kogeneracije Mogu�a
9
Površinska distribucija (površinska raspodjela) Sun�eva zra�enja po Zemlji najpravednija je od svih primarnih oblika energije, donekle biomase i otpada (otpada ima svugdje gdje ima aktivnosti ljudi a tu je potrebna i energija, nema ga tamo gdje nema ikakve ljudske aktivnosti pak tamo nema niti potrebe za energijom). Ostali nekonvencionalni oblici energije nisu ravnomjerno raspore�eni po Zemljinu globusu. Površinska gusto�a mala je za Sun�evo zra�enje, još manja za biomase i otpad, te nešto ve�a za vjetar (tamo gdje ga uop�e ima raspoloživog za energetsko korištenje), jedino je kod malih hidroelektrana i kod toplih izvora površinska gusto�a primjereno visoka. Na jedan �etvorni metar na našoj geografskoj širini dostruji godišnje približno 1000 kilovatsati Sun�eva zra�enja, a ako uzgojimo pšenicu na tom �etvornom metru, slama �e imati energetski sadržaj od samo 2 kilovatsata. Gdje je to usporedbi s naftnom bušotinom s godišnjim iscrpkom od recimo 100 tisu�a tona �iji je energetski sadržaj otprilike 1 milijarda kilovatsati a zauzima površinu od par stotina �etvornih metara! Op�enito, izvorno se ne daju transportirati gotovo svi nekonvencionalni oblici energije, kao niti uskladištiti u izvornom obliku. Moraju se trošiti na mjestu i u ritmu svoga nastanka. Jedino se ogrjevno drvo, te biomasa i otpad daju transportirati na razumno veliku udaljenost (jer bi pretjerana udaljenost tražila više energije za transport od energetskog sadržaja tvari koja se prevozi, te bi to bilo nerazumno) i svakako se daju uskladištiti i koristiti u ritmu potreba. Oscilacija prirodnog dotoka velika je kod svih nekonvencionalnih oblika energije, jedino geotermalna energija ne poznaje oscilaciju, ravnomjerno dotje�e iz svog izvora. Donekle, oscilacija dotoka ogrjevnog drveta manja je a uzevši u obzir i mogu�nost njegova uskladištenja, oscilacija se dade kompenzirati. Biomase sazrijevaju prakti�ki trenutno i onda se to ponavlja tek – u pravilu – za godinu dana. Vjetar ima oscilaciju od nula do preko sto posto, jer pri olujnom vjetru mora se obustaviti korištenje vjetrogeneratora, kao i pri vrlo malim brzinama vjetra. Kako je snaga vjetroturbine proporcionalna brzini vjetra na tre�u potenciju, to i mala promjena brzine predstavlja znatniju promjenu snage. Udvostru�enje brzine vjetra vodi uosmerostru�enju snage! Sun�evo zra�enje jednako tako predstavlja izvor s oscilacijom 0-100%, jer ga no�u uop�e nema. Male HE tako�er mogu biti na takvim vodotocima, koji u odre�enim prilikama znaju posve presušiti. Trajanje iskorištenja instalirane snage, dakle omjer godišnje proizvedene energije i instalirane snage, malo je kod svih izvora �ije su prirodne oscilacije velike, jer su samo mali dio godišnjeg vremena u punom pogonu. Za sve oblike energije �ije je trajanje godišnjeg iskorištenja malo mora se osigurati akumulacija energije, pak je onda koristiti iz akumulatora ako je dotok malen ili posve izostao a potražnja postoji. Ali, akumulacija prakti�ki dolazi u obzir kod toplinskog korištenja Sun�eva zra�enja (akumulator je dobro toplinski izoliran bojler) ili akumulacija manje koli�ine elektri�ne energije u elektri�nom akumulatoru kod fotonaponskog korištenja Sun�eva zra�enja.
10
Ve�u koli�inu elektri�ne energije ne dade se ekonomi�no akumulirati u akumulatorima jer bi oni bili velikih masa i time preskupi, tako da se prakti�ki kod svih drugih obnovljivih izvora poseže za elektroenergetskim sustavom kao rezervnim rješenjem ili dizel-generatorom. Ogrjevno drvo, biomasa i otpaci te geotermalna energija ne traže takvu rezervu. Potrebna rezerva u konvencionalnim postrojenjima može biti znatna, prakti�ki može do�i do udvostu�enja instalacije na nacionalnoj razini. S jedne strane instaliramo postrojenja na nekonvencionalni izvor a s druge strane isto toliku konvencionalnu rezervu, koja �e – k tome – biti slabije iskorištena jer ne�e raditi u razdobljima kada je nekonvencionalni izvor raspoloživ. Regulacijska svojstva takve rezerve moraju biti iznimno visoka jer je za dio nekonvencionalnih izvora karakteristi�na njihova brza a nepredvidljiva promjena. Prijenosna elektri�na mreža koja povezuje podru�ja gdje su takvi nekonvencionalni izvori s podru�jima u kojima je konvencionalna rezerva tako�er mora biti poja�ana. U Njema�koj, gdje je trenutno istalirano preko 20 gigavata vjetroelektrana u pogonu (najviše u svijetu), moraju za svaki megavat u vjetroelektranama držati u rezervi još 0,85 megavata u konvencionalnim elektranama. Zauzimanje prostora na mjestu pretvorbe primarnog oblika energije u iskoristljiviji oblik veliko je pri korištenju svih nekonvencionalnih oblika, kod kojih je površinska gusto�a mala. Za fotonaponsko korištenje Sun�eva zra�enja to je izrazito naglašeno, a kod korištenja vjetra i kolektorskog korištenja Sun�eva zra�enja nešto manje. Ogrjevno drvo te biomasa i otpaci traže nešto više prostora od onoga kojeg bi tražila konvencionalna termoelektrana jednake snage, uz nešto ve�i skladišni prostor. Ogrjevno drvo dade se i neposredno koristiti – u štednjaku, pe�i za zagrijavanje prostora ili sanitarne vode – pak onda traži samo prostor za uskladištenje. Geotermalna energija, ukoliko se koristi neposredno za zagrijavanje, troši najmanje prostora – jednostavno se cijev zabije u tlo i razvede po ku�ama. Stupanj djelovanja pri pretvorbi u koristan oblik op�enito je malen ili manji nego li kod konvencionalnih izvora energije. Osobito je to naglašeno pri fotonaponskom korištenju Sun�eva zra�enja kod kojega je prosje�ni stupanj djelovanja samo oko 10%, dakle za jedan kilovatsat dobiven iz sun�anih �elija treba izložiti toliko površine da bude osun�ana s deset kilovatsati. Ve�i je kod malih hidroelektrana, toplinskog korištenja Sun�eva zra�enja kolektorima i neposrednog toplinskog iskorištavanja geotermalne energije. Suvremeni energetski pristup zalaže se za primjenu kogeneracije – dakle spregnutu proizvodnju toplinske i elektri�ne energije, što je više mogu�e, jer se time postiže ve�e iskorištenje primarnog oblika energije. Mogu�a je samo kod nekonvencionalnih izvora upotrebljenih kao gorivo u termoelektrama-toplanama ili ako se geotermalna energija koristi za pogon takve elektrane, dakle mora se raditi o vrlo vru�em izvoru (kakvih ima na Islandu). Tako�er, u blizini postrojenja za pretvorbu mora biti primjereno velik toplinski konzum, ina�e se nema kamo isporu�ivati proizvedena toplina.
11
Troškovi pogona i održavanja postoje kod svih izvora. Neki se mogu ne iskazati, ako su radovi izvedeni u vlastitoj režiji, ali oni teoretski postoje. Podmazivanje, zaštita od korozije, elementarno �iš�enje, redoviti periodi�ki remonti... samo su neki od primjera troškova pogona i održavanja koji se ne daju izbje�i ako se ho�e ostvariti poželjna životna dob pojedinog ure�aja za prihvat i pretvorbu nekonvencionalnog oblika energije. 1.3.2. Emisija iz nekonvencionalnih izvora i vrijeme energetske amortizacije U tablici 1.4. prikazana je ukupna emisija klimatski štetnih plinova iz elektrana iskazana CO2-ekvivalentom. Vidimo da izravne emisije dakako nema kod vjetroelektrana i sun�anih elektrana, ali da je kod ovih drugih naglašena neizravna emisija, što takve elektrane svrstava u «kvazi- CO2-neutralne». U tablici 1.5. prikazano je vrijeme energetske amortizacije, dakle vrijeme koje treba prote�i od po�etka korištenja do trenutka kada je proizvodnjom tog izvora energije vra�ena energija utrošena prilikom proizvodnje opreme i materijala potrebnih za gradnju tog postrojenja. Postoji zna�ajnije trajanje energetske amortizacije sun�anih elektrana, ovisno o vrsti primjenjenih �elija. Pri tome su dakako monokristalne �elije najskuplje, traže najviše energije za svoju proizvodnju i najviše optere�uju okolinu pri tome. Trebaju biti i do nekoliko godina u pogonu, kako bi vratile energiju uloženu u njihovu proizvodnju. Tablica 1.4. Ukupna emisija klimatski štetnih plinova iz elektrana (CO2-ekvivalent, gram/kWh) [4]
Tip elektrana Izravna emisija
Neizravna emisija
Ukupna emisija
Velike hidroelektrane 3,5-40 10-20 13,5-55 Male hidroelektrane 3,5-35 15-20 18,5-55 Vjetroelektrana 600 kW 0 40 40 Vjetroelektrana 1,5 MW 0 50 50 Elektrana na biomasu 700 kW 13 50 63 Elektrana na biomasu 11,5 MW 18 45 63 Velika fotoelektri�na elektrana 0 180 180 Mala fotoelektri�na elektrana 0 220 220 Konv.termoelektrane na plin 340 80 420 Konv.termoelektrane na kam.ugljen 820 100 920
Tablica 1.5. Vrijeme energetske amortizacije (godine) [4]
Tip energetskog postrojenja Energ.amortizacija
Hidroelektrana 0,2-0,3 Toplana za daljinsko grijanje 0,2-0,5 Nuklearna elektrana (LWR) 0,2-0,8 Vjetroelektrana 0,2-1,9 Fotonaponska-amorfne �elije 2,6-4,6 Fotonaponska-multikristalne �elije 3,1-6,8 Fotonaponska-monokristalne �elije 4,2-7,1
12
1.3.3. Investicijski troškovi i troškovi pogona obnovljivih izvora energije Tablica 1.6. Troškovi malih izvora energije [4]
Tip izvora Veli�ina (MW)
Investicije (€/kW)
Troškovi pogona (€/kWh)
Vjetroelektrane (na kopnu) 15 900-1300 0,04-0,09 Vjetroelektrane (na moru) 100 1500-2000 0,05-0,12 Kombi-elektrane 40 550-850 0,04-0,06 Hidroelektrane (mali pad) 5 900-1000 0,02-0,03 Kogeneracija 5 800-850 0,05-0,06 Fotonaponski sustavi 5 6000-10000 0,75-1,00 Gorivne stanice 5 1100-1600 0,08-0,10
Uzmemo li da je vrlo uprosje�en trošak investicija za termoelektranu na ugljen zaokruženo oko 1000 €/kW, izlazi da vjetroelektrane (ako su izvedene na moru) znaju koštati i dvostruko više, a fotonaponske elektrane �ak deseterostruko više od toga. Troškovi pogona tih elektrana kre�u se za vjetroelektrane od 4-12 eurocenta/kWh a za fotonaponske elektrane od 75 eurocenta do 1 eura po kilovatsatu. Uzmemo li da je prosje�na proizvodna cijena konvencionalnih elektrana na europskoj elektroenergetskoj tržnici 3-3,5 eurocenta/kWh, vidimo da je cijena proizvodnje iz vjetroelektrana i trostruko ve�a od prosje�ne proizvodne cijene a iz fotonaponskih elektrana �ak 30 puta ve�a! Drugi nekonvencionalni izvori dolaze na razine više od vjetroelektranske cijene, osim malih hidroelektrana u Austriji kojima donja granica cijene sumjerljiva europskoj proizvodnojj cijeni elektri�ne energije iz konvencionalnih elektrana. Valja naglasiti da se proizvodna cijena elektri�ne energije opada s razvojem tehnologije i opadanjem investicijskih troškova i troškova pogona, što je vidljivo i na slici 1.2. koja daje usporedbu proizvodne cijene od 1985. godine i prognozu do 2010. Ipak do postizanja konkurentnih proizvodnih cijena, otkupne cijene elektri�ne energije iz takvih izvora moraju biti poticajno visoke, ina�e za sada ne bi došla u obzir njihova izgradnja i korištenje.
Slika 1.2. Proizvodna cijena elektri�ne energije iz obnovljivih izvora ($/kWh)
13
U tablici 1.7. navode se otkupne cijene iz nekonvencionalnih izvora elektri�ne energije, kako su ure�ena zakonodavstvima ili uredbama u pojedinim zemljama. Odakle sredstva za namirenje tolikih otkupnih cijena? Zemlje su uglavnom uvele dodatak na cijenu elektri�ne energije, kojeg pla�aju svi kupci elektri�ne energije, a koji služi za isplate otkupne cijene proizvo�a�ima elektri�ne energije iz nekonvencionalnih izvora, koja cijena je manje ili više ve�a od prosje�ne proizvodne cijene iz konvencionalnih izvora. U Hrvatskoj, Zakonom o energiji (NN 177/2004) [26] je tako�er uvedena naknada za poticanje proizvodnje elektri�ne energije iz nekonvencionalnih izvora koju bi pla�ali svi kupci [33], o �emu više u nastavnoj jedinici 2. Tablica 1.7. Otkupne cijene elektri�ne energije iz nekonvencionalnih izvora (eurocent/kWh), stanje 2003-2005
Država Male HE Vjetroelektrane
Elektrane na biomasu
Fotonaponske elektrane
Austrija 3,2-6,2 7,8 10-16 47-60
Danska 5,8 8,0 15,3-30,5
Francuska 4,5-8,4 3,1-8,4 4,5-5,7
Hrvatska 4,3-5,0 6,0
Irska 6,4 4,7-5,3 3,8-5,9
Italija 11,3
Nizozemska 7,7
Njema�ka 6,6-7,7 5,9-8,8 6,6-9,9 40,7-57,4
Portugal 6,9 7,6-8,3 6,2 23,0-39,4
Španjolska 6,4 6,6 6,2 21,7-39,7 Ujed.kraljevstvo
8,8
14
1.4. Trenutno stanje korištenja obnovljivih izvora energije 1.4.1. Stanje u svijetu Na slici 1.3. prikazan je udio pojedinih izvora energije u svjetskoj proizvodnji elektri�ne energije. Iz dijagrama je vidljivo da se trenutno oko dvije tre�ine elektri�ne energije dobija iz fosilnih goriva (ugljena 40 %, prirodnog plina 20 % i nafte 7 %), dok su od ostalih izvora zna�ajnije zastupljeni samo nuklearna i hidroenergija ( s udjelima od 16 %) i to uglavnom zbog konvencionalnih velikih hidroelektrana. Svi ostali, tj. nekonvencionalni izvori energije (isklju�uju�i hidroelektrane), usprkos njihovom zna�ajnom poticanju i razvoju u posljednje vrijeme, u svjetskoj prizvodnji elektri�ne energije sudjeluju ukupno samo s 2 %, od �ega daleko najviše biomasa (62%), potom energija vjetra (22%) i geotermalna energija (15%). Izravno korištenje energije sun�evog zra�enja, kao plime i oseke u usporedbi s ostalim oblicima obnovljivih izvora gotovo je zanemarivo u ovom trenutku, ali ipak treba naglasiti da ulažu veliki znanstveno-istraživa�ki napori kako bi se ubrazo tehnološki razvoj fotonaponskih �elija s ciljem smanjenja investicijskih troškova i njihove zna�ajnije uporabe.
Hidroenergija16%
OIE - bez HE2%
Nuklearna energija16%
Prirodni plin20% Nafta
7%
Ugljen39%
OIE - bez HE
Ugljen
Nafta
Prirodni plin
Nuklearna energija
Hidroenergija
Biomasa i otpad: 62%Vjetar: 22%Geotermalna en.: 15%Sunce: 1%Plima i oseka: 0%
Slika 1.3. Udio pojedinih izvora energije u svjetskoj proizvodnji elektri�ne energije
2004. godine - izvor: IEA, 2006.
1.4.2. Stanje u Europskoj Uniji Europska komisija, kroz Direktive vezane uz obnovljive izvore energije i smanjenje emisije stakleni�kih plinova, kao i zemlje �lanice Europske unije (osobito Njema�ka) najve�i su zamašnjak razvoju obnovljivih izvora energije, o �emu �e više rije�i biti u nastavnoj jedinici 2. Regulativa obnovljivih izvora energije. Ovdje su na slikama 1.4. i 1.5. prikazani udjeli pojedinih obnovljivih izvora energije u ukupnoj proizvodnji primarne (slika 1.4.) te
15
2005
Geoterm. 5,5%
Biomasa 66,1%
Sunce 0,7%
Vjetar 5,5%
Hidro. 22,2%
2004
Hidro. 24,7%
Vjetar 4,9%
Sunce 0,6%Biomasa 64,1%
Geoterm. 5,6%
2004
Geoterm. 1,2%Biomasa 13,8%
Sunce 0,2%
Vjetar 13,9%
Hidro. 70,9%
2005
Hidro. 66,4%
Vjetar 16,3%
Sunce 0,3%
Biomasa 15,8%Geoterm. 1,2%
elektri�ne (slika 1.5.) energije koja dolazi iz obnovljivih izvora energije u zemljama EU 2004. i 2005. godine [7]. Kao što je vidljivo, u proizvodnji prirmarne energije najve�i udio još uvijek ima biomasa i to prvenstveno ogrijevno drvo koje služi za proizvodnju toplinske energije, a slijedi hidroenergija koje se gotovo u cijelosti koristi za proizvodnju elektri�ne energije. U proizvodnji elektri�ne energije najve�i udio je hidroenergije, �emu najviše doprinose konvencionalne velike hidroelektrane. S obzirom da trenutni trend tehnološkog razvoja, investicijskih troškova i proizvodnih cijena elektri�ne energije u ukupnoj proizvodnji elektri�ne energije slijedi energija vjetra (vjetroelektrane) i biomasa (osobito elektrane na krutu biomasu – drvo i drvne otpatke, te bioplin sa životinjskih farmi).
Slika 1.4. Udio pojedinih obnovljivih izvora energije u ukupnoj proizvodnji obnovljive primarne energije zemalja EU – izvor: EUrObserver ER 2006, 2007
Slika 1.5. Udio pojedinih obnovljivih izvora energije u ukupnoj proizvodnji obnovljive elektri�ne energije zemalja EU – izvor: EUrObserver ER 2006, 2007
16
1.4.3. Stanje u Republici Hrvatskoj - usporedba U Hrvatskoj udio obnovljivih oblika energije u proizvodnji elektri�ne 2000. godine bio je ve�i je od 50% što je naizgled izvrsna situacija. O�ekivano pove�anje je 5,8 % u 2010. godini, a daljnja pove�anja udjela obnovljivih izvora energijepredmet pristupnih pregovora s EU. Pogleda li se udio obnovljivih izvora energije u proizvodnji elektri�ne u Hrvatskoj u usporedbi s vode�im „starim“ i „novim“ zemljama �lanicama Europske Unije na slici 1.6 . a) i b) vidljivo je da u ukupnom udjelu obnovljivih izvora pojedinih država, gdje Hrvatska zauzima visoku drugu poziciju velika ve�ina potje�e od velikih hidroelektrana, dok su ostali obnovljivi izvori zasada gotovo zanemareni. a) b)
Slika 1.6. Udio obnovljivih izvora u proizvodnji elektri�ne energije:
a) uklju�uju�i velike hidroelektrane, b) bez velikih hidroelektrana Naime, prema stanju iz 2005. Od 2071 MW ukupno instalirane snage u hidroelektranama, samo 24,23 MW u malim hidroelektranama (nekonvencionalni obnovljivi izvor). Osim u hidroelektranama, zna�ajnijeg udjela ostalih obnovljivih izvora energije u proizvodnji elektri�ne energije prakti�ki nema (zasada instalirana samo dva vjetroparka na Pagu i kod Šibenika snage 6 MW i 14 MW, te nekoliko postrojenja na biomasu), o �emu više u nastavnim jedinicama 3. Energija biomase i 4. Energija vjetra. Ipak, najnovija zakonska regulativa prikazana u 2. nastavnoj jednici vezana uz tarifni sustav cijena elektri�ne energije iz nekonvencionalnih izvora, kojom se nastoji potaknuti ve�a izgradnja takvih postrojenja, kao i zna�ajan interes za izgradnjom vjetroelektrana u Hrvatskoj u posljednjih nekoliko godina jamstvo su da �e se takvo stanje zna�ajno promijeniti u skoroj budu�nosti.
05
101520253035404550556065707580
CZ
HU
NG
ER
PO
L
ITA EU
GR
E
FRA
CR
O
PO
R
FIN
AU
T
%
1990.
1995.
2000.
0
2
4
6
8
10
12
14
CZHUN
GERPOL
ITA EUGRE
FRACRO
POR FINAUT
%
1990.1995.2000.
17
2. REGULATIVA OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE
2.1. Direktiva EU o obnovljivim izvorima Temeljni zakonski okvir i poticaj za razvoj obnovljivih izvora i tehnologija njihove uporabe u EU! 2001. godine Europska unija usvojila je Direktivu o obnovljivim izvorima (2001/77/EC) koja predstavlja obvezu za zakonodavstva zemalja-�lanica EU, u smislu pove�anja udjela obnovljivih izvora u proizvodnji elektri�ne energije. U ukupnoj proizvodnji elektri�ne energije u 1997. godini prosje�ni udjel obnovljivih izvora bio je 13,9%, koji se mora u 2010. godini prosje�no podi�i na 22,1%. U ukupne udjele prema direktivi uklju�ene su i velike HE, iako se radi o konvencionalnom izvoru energije! Pri tome zada�e pojedinih zemalja razli�ite su, ovise o zate�enom udjelu, objektivnim mogu�nostima za njegovu bržu ili sporiju promjenu, te razli�itim obvezama pojedine zemlje u odnosu na Kyoto-protokol. U tablici 2.1. prikazani su minimalni udjeli obnovljivih oblika energije u proizvodnji elektri�ne energije usvojeni Direktivom 2001. godine. Tablica 2.1. Minimalni udio obnovljivih oblika energije u proizvodnji elektri�ne energije za zemlje EU-15 prema Direktivi 2001/77/EC
Zemlja Udio 1997. (%) obnovljivih izvora
Udio 2010. (%) obnovljivih izvora
Austrija 70,0 78,1 Belgija 1,1 6,0 Danska 8,7 29,0 Finska 24,7 31,5 Francuska 15,0 21,0 Gr�ka 8,6 20,1 Irska 3,6 13,2 Italija 16,0 25,0 Luksemburg 2,1 5,7 Nizozemska 3,5 9,0 Njema�ka 4,5 12,5 Portugal 38,5 39,0 Španjolska 19,9 29,4 Švedska 49,1 60,0 Ujed. Kraljevstvo 1,7 10,0 Ukupno EU-15 13,9 22,1
Pri tome je vidljivo da je zate�eni udjel (1997) obnovljivih izvora u proizvodnji elektri�ne energije vrlo šaroliko raspore�en, da su zada�e postavljene pred pojedinu zemlju (2010)
18
tako�er raznolike, a kod niza ina�e razvijenijih zemalja zate�eni udjel zapravo vrlo nizak (Belgija, Irska, Nizozemska, donekle Njema�ka i – izrazito – Ujedinjeno Kraljevstvo). Nakon prijema 10 novih �lanica Europske unije, došlo je do nadopune Direktive 2001/77/EC, obuhvatom i tih zemalja. Sveukupno, u svih 25 zemalja-�lanica EU s udjela od 12,9% u 1997. godini treba posti�i udjel od 21% u 2010. godini, što je prikazano u tablici 2.2. Tablica 2.2. Dopuna Direktive 2001/77/EC za 10 novih �lanica
Zemlja Udio 1997. (%) obnovljivih izvora
Udio 2010. (%) obnovljivih izvora
Cipar 0,05 6,0 �eška 3,8 8,0 Estonija 0,2 5,1 Ma�arska 0,7 3,6 Malta 0,0 5,0 Letonija 42,5 49,3 Litva 3,3 7,0 Poljska 1,6 7,5 Slova�ka 17,9 31,0 Slovenija 29,9 33,6 Ukupno EU-25 12,9 21,0
Vlada Republike Hrvatske je na sjednici održanoj 22. ožujka 2007. godine, uskla�uju�i propise o obnovljivim izvorima energije s onima u EU-u, propisala da do kraja 2010. godine minimalni udio elektri�ne energije iz obnovljivih izvora (ne odnosi se na velike hidroelektrane s instaliranom snagom ve�om od 10 MW) treba iznositi 5,8% u ukupnoj potrošnji elektri�ne energije [25]. Prijedlog nove Direktive EU za promoviranje korištenja obnovljivih izvora Prijedlog Direktive ima cilj uspostaviti ukupan udio od 20 % udjela obnovljivih izvora energije u energetskoj potrošnji i minimalan udio od 10 % biogoriva u prijevozu EU. Trenutno se radi na uskla�ivanju nacionalnih ciljeva: sve zemlje �lanice trebaju proizvoditi barem 5.75% više primarne energije u odnosu na referentnu 2005. godinu, a to�an postotak pove�anja svake zemlje odre�uje se prema BDP-u tako da se postigne 20% pove�anje udjela obnovljivih izvora energije u krajnjoj potrošnji energije na razini EU. Ovaj cilj postavljen je u ožujku 2007. Jedan od problema u uskla�ivanju ciljeva je referentna 2005. godina koja ne odgovara naprednijim zemljama poput Austrije i Švedske. Nadalje, Njema�ka je istakla problem utjecaja ove Direktive na njihove “certifikate o zelenoj energiji” - obveze elektroprivrede za otkupom obnovljive energije privatnih proizvo�a�a po fiksnom tarifnom sustavu.
19
Trenutno se u Europskoj Uniji koristi 8.5% obnovljivih izvora energije u krajnjoj potrošnji energije, te je stoga potrebno pove�ati udjel za još 11.5%. Elektri�na energija proizvedena u tre�im zemljama a potrošena u EU tako�er se može uklju�iti u postizanje nacionalnih ciljeva. U tablici 2.3. prikazani su usvojeni nacionalni ciljevi u Prijedlogu Direktive, usvojenom 23. sije�nja 2008. godine, verzija 15.4. a pregovori oko kona�ne Direktive i dalje traju. Tablica 2.3. Prijedlog Direktive EU za promoviranje korištenja OIE, verzija 15.4
Zemlja Udio (%) OIE u krajnjoj potrošnji 2005.
Udio (%) OIE u krajnjoj potrošnji 2005.
Belgija 2,2 13 Bugarska 9,4 16 �eška 6,1 13 Danska 17,0 30 Njema�ka 5,8 18 Estonija 18,0 25 Irska 3,1 16 Gr�ka 6,9 18 Španjolska 8,7 20 Francuska 10,3 23 Italija 5,2 17 Cipar 2,9 13 Latvija 34,9 42 Litva 15,0 23 Luksemburg 0,9 11 Ma�arska 4,3 13 Malta 0,0 10 Nizozemska 2,4 14 Austrija 23,3 34 Poljska 7,2 15 Portugal 20,5 31 Rumunjska 17,8 24 Slovenija 16,0 25 Slova�ka 6,7 14 Finska 28,5 38 Švedska 39,8 49 Velika Britanija 1,3 15 Ukupno EU-27 8,5 20,0
20
2.2. Obnovljivi izvori energije u hrvatskim zakonima Sve zemlje Europske unije preuzele su obveze promjene odnosa u energetskom sektoru temeljem zajedni�kih pravila koja su odre�ena direktivama oliberalizaciji tržišta elektri�ne energije i plina. U sklopu eurointegracijskih procesa Hrvatska je cjelokupni koncept reforme energetskog sektora kroz pravni i institucionalni okvir prilagodila zahtjevima EU-a, dakako,u granicama specifi�nog rješenja. Zna�ajan pomak u podru�ju obnovljivih izvora energije u Hrvatskoj se dogodio 22. ožujka ove godine kada je Vlada usvojila paket podzakonskih akata koji reguliraju to podru�je [25]. U novom zakonodavnom okviru kojim se ure�uju odnosi u energetskom sektoru (NN 68/2001 i 177/2004) te strateškim dokumentima njegovog razvoja i zaštite okoliša kao što su: - Strategija energetskog razvitka Republike Hrvatske (NN 38/2002), - Nacionalna strategija zaštite okoliša (NN 46/2002), - nacionalni energetski programi i dr, u�inkovito korištenje energije, kogeneracija i korištenje obnovljivih izvora utvr�eni su u skladu s postoje�im stanjem u tom sektoru i razvojnim opredjeljenjem kao interes Republike Hrvatske. Poseban položaj OIE-a i kogeneracije definiran je i u Zakonu o energiji (NN 68/2001, 177/2004) koji eksplicitno izražava pozitivan stav prema njima pa se u njegovom �lanku 14, stavku 1. izrijekom kaže da je njihovo korištenje u interesu Hrvatske. Zbog specifi�nosti obnovljivih izvora energije i kogeneracije te njihovog nerazvijenog tržišnog položaja potreban je zna�ajan napor države i politi�ka volja za poticanje novih i �istih tehnika te taj sektor može zaživjeti samo u reguliranim uvjetima ure�enih odnosa i sustava u pogledu cijene i trajanja otkupa energije, uklonjenih administrativnih prepreka i dr. Za razvoj OIE-a i kogeneracije nužna je trajna skrb i pra�enje provedbe s mogu�noš�u jednostavnog i brzog djelovanja na državnoj i lokalnoj razini. S aspekta zaštite tržišnog natjecanja i o�uvanja poduzetni�ke i tržišne slobode osigurat �e se nadzor nad funkcioniranjem svih koherentnih ekonomskih instrumenata. Kao što je spomenuto, prema Zakonu o energiji, korištenje obnovljivih izvora energije u interesu je Republike Hrvatske. Programe za primjenu i poticanje primjene obnovljivih izvora energije sukladno Strategiji energetskog razvitka i programima na državnoj razini priprema Ministarstvo gospodarstva, rada i poduzetništva, a na lokalnoj razini nadležna tijela jedinica lokalne i podru�ne (regionalne) samouprave. Spomenuti programi sadrže poticajne mjere za u�inkovito korištenje energije i obnovljivih izvora energije kroz sljede�e aktivnosti: obrazovanje, obavješ�ivanje, energetske savjete i izdavanje energetskih publikacija. Prema definiciji iz Zakona o energiji [26]: „...obnovljivi su izvori energije koji su sa�uvani u prirodi i obnavljaju se u cijelosti ili djelomi�no, a posebno energija vodotoka, vjetra, neakumulirana Sun�eva energija, biogorivo (teku�e ili plinovito gorivo za pogon motora dobiveno iz biomase), biomasa, geotermalna energija.“
21
Vlada je na sjednici održanoj 22. ožujka 2007. godine odredila i naknade za poticanje proizvodnje elektri�ne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije (tj. za istodobnu proizvodnju elektri�ne i toplinske energije) te tarifni sustav za proizvodnju elektri�ne energije iz tih izvora - vjetroelektrana, elektrana na biomasu, geotermalnih elektrana, elektrana na biogoriva itd. [25] Novi propisi (NN 33/2007) su: • Uredba o minimalnom udjelu elektri�ne energije proizvedene iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije �ija se proizvodnja poti�e [30] • Uredba o naknadama za poticanje proizvodnje elektri�ne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije [33] • Tarifni sustav za proizvodnju elektri�ne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije [31] • Pravilnik o korištenju obnovljivih izvora energije i kogeneracije [32] • Pravilnik o stjecanju statusa povlaštenog proizvo�a�a elektri�ne energije. Svi ovi propisi stupili su na snagu 1. srpnja 2007. godine. 2.2.1. Tarifni sustav za proizvodnju el. energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije Cilj Tarifnog sustava za proizvodnju elektri�ne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije (NN 33/2007) te Uredbe o naknadama za poticanje proizvodnje elektri�ne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije je jasno definirati i konkretizirati mehanizme prikupljanja sredstava i mehanizama poticanja, temeljenih na cjenovnom pristupu za proizvo�a�e. Tarifni sustav odre�uje pravo povlaštenog proizvo�a�a na poticajnu cijenu koju operator tržišta pla�a za isporu�enu energiju, a temelji se na opravdanim troškovima poslovanja, održavanja, zamjene, izgradnje ili rekonstrukcije postrojenja koja koriste obnovljive izvore energije, odnosno kogeneraciju. Naknada za poticanje proizvodnje elektri�ne energije iz OIE-a i kogeneracije za svaku pojedinu tehnologiju, odnosno izvor obra�unava se prema na�elu reguliranog profita. Obvezu pla�anja naknade imaju svi kupci. Mehanizmom za prikupljanje i razdiobu sredstava upravlja operator tržišta (nadzor provodi MINGORP) te sklapa ugovorne odnose s povlaštenim proizvo�a�ima. Tarifnim sustavom se utvr�uju tarifne stavke i njihove visine za isporu�enu elektri�nu energiju iz postrojenja koja koriste obnovljive izvore energije (tablice 2.4. i 2.5.) [31]. Za kogeneracijska postrojenja utvr�uju se tarifne stavke za isporu�enu elektri�nu energiju za vrijeme trajanja više (VT) i niže (NT) dnevne tarifne stavke, odre�ene tarifnim sustavom za proizvodnju elektri�ne energije (tablica 2.6.) [31]. Uz to, utvr�en je i korekcijski faktor koji ovisi o udjelu doma�e komponente u projektu za iskorištavanje obnovljivih izvora energije (tablica 2.7. [31]). Naime, strateški element reforme energetskog sektora i perspektive projekata energetske u�inkovitosti, kogeneracije i obnovljivih izvore energije u Hrvatskoj svakako je izazov uklju�ivanja
22
doma�e industrije (Kon�ar, TPK Orometal, Centrometal, Solaris i dr) u razvojne i proizvodne programe na tim podru�jima energetike. Hrvatska prera�iva�ka industrija pokazala je izrazit interes za proizvodnju opreme i komponenata za korištenje obnovljivih izvore energije što �e u slu�aju provedbe programa, primjerice, vjetroelektrana, bioenergana, malih hidroelektrana, solarnih kolektora i dr. imati izravne u�inke na otvaranje novih radnih mjesta. Ina�e, za donošenje tarifnog sustava bilo je potrebno usuglašavanje. Primjerice, iako je postavljeni cilj od spomenutih 5,8% proizvodnje elektri�ne energije iz obnovljivih izvora sukladan Direktivi 2001/77/EZ, smatralo se kako su s obzirom na njezinu primjenu, �lanice EU-a imale su dulji rok za ostvarenje tog udjela, odnosno ciljeva (do 2010. godine). Isto tako, dotiranje iz prora�una na strani proizvodnje (u kWh) nije dopušteno jer bi se tada narušila tržišna pravila. Tako�er nije odre�ena ni gornja granica naknade, ve� stvarna visina ovisi o dinamici provo�enja politike korištenja OIE-a i kogeneracije te o strukturi pojedinih izvora (tehnologija). Sustavom pra�enja i izvještavanja MINGORP �e pravdobno poduzimati odgovaraju�e mjere [25]. Tablica 2.4. Visine tarifnih stavki (C) za postrojenja priklju�ena na distribucijsku mrežu koja koriste OIE za proizvodnju elektri�ne energije instalirane elektri�ne snage do 1 MW (�l. 4.)
Tip postrojenja C (kn/kWh)
a. sun�ane elektrane
a.1. sun�ane elektrane instalirane snage do uklju�ivo 10 kW 3,40
a.2. sun�ane elektrane instalirane snage ve�e od 10 kW do uklju�ivo 30 kW 3,00
a.3. sun�ane elektrane instalirane snage ve�e od 30 kW 2,10
b. hidroelektrane 0,69
c. vjetroelektrane 0,64
d. elektrane na biomasu
d.1. kruta biomasa iz šumarstva i poljoprivrede (granjevina, slama, koštice…) 1,20
d.2. kruta biomasa iz drvno-prera�iva�ke industrije (kora, piljevina, sje�ka...) 0,95
e. geotermalne elektrane 1,26
f. elektrane na bioplin iz poljoprivrednih nasada (kukuruzna silaža...) te organskih ostataka i otpada iz poljoprivrede i prehrambeno-prera�iva�ke industrije (kukuruzna silaža, stajski gnoj, klaoni�ki otpad, otpad iz proizvodnje biogoriva…)
1,20
g. elektrane na teku�a biogoriva 0,36
h. elektrane na deponijski plin i plin iz postrojenja za pro�iš�avanje otpadnih voda 0,36
i. elektrane na ostale obnovljive izvore (morski valovi, plima i oseka...) 0,60
23
Tablica 2.5. Visine tarifnih stavki (C) za postrojenja priklju�ena na prijenosnu ili distribucijsku mrežu koja koriste OIE za proizvodnju elektri�ne energije instalirane elektri�ne snage ve�e od 1 MW (�l. 4.)
Tip postrojenja C (kn/kWh)
a. hidroelektrane instalirane snage do uklju�ivo 10 MW
- energija do uklju�ivo 5000 MWh proizvedenih u kalendarskoj godini 0,69
- energija za više od 5000 MWh do uklju�ivo 15000 MWh proizvedenih u kalendarskoj godini
0,55
- energija za više od 15000 MWh proizvedenih u kalendarskoj godini 0,42
b. vjetroelektrane 0,65
c. elektrane na biomasu
c.1. kruta biomasa iz šumarstva i poljoprivrede (granjevina, slama, koštice…) 1,04
c.2. kruta biomasa iz drvno-prera�iva�ke industrije (kora, piljevina, sje�ka i…) 0,83
d. geotermalne elektrane 1,26
e. elektrane na bioplin iz poljoprivrednih nasada (kukuruzna silaža...) te organskih ostataka i otpada iz poljoprivrede i prehrambeno-prera�iva�ke industrije (kukuruzna silaža, stajski gnoj, klaoni�ki otpad, otpad iz proizvodnje biogoriva…)
1,04
f. elektrane na teku�a biogoriva 0,36
g. elektrane na deponijski plin i plin iz postrojenja za pro�iš�avanje otpadnih voda 0,36
h. elektrane na ostale obnovljive izvore (morski valovi, plima i oseka…) 0,50
Tablica 2.6. Visine tarifnih stavki (C) za kogeneracijska postrojenja priklju�ena na distribucijsku mrežu koja koriste OIE za proizvodnju elektri�ne energije (�l. 4.)
C
VT NT
Kogeneracijska postrojenja instalirane elektri�ne snage do uklju�ivo 50 kW, tzv. mikrokogeneracije te sva kogeneracijska postrojenja koje koriste gorivne �elije na vodik
0,61 0,32
Kogeneracijska postrojenja instalirane elektri�ne snage ve�e od 50 kW do uklju�ivo 1 MW, tzv. male kogeneracije
0,51 0,26
Kogeneracijska postrojenja instalirane elektri�ne snage ve�e od 1 MW do uklju�ivo 35 MW, tzv. srednje kogeneracije priklju�ene na distribucijsku mrežu
0,44 0,22
Kogeneracijska postrojenja instalirane elektri�ne snage ve�e od 35 MW, tzv. velike kogeneracije, te sva kogeneracijska postrojenja priklju�ena na prijenosnu mrežu
0,30 0,15
24
Tablica 2.7. Korekcijski faktori za tarifne stavke (C) ovisni o udjelu doma�e komponente u projektu
Udio doma�e komponente u projektu, p (%)
Korekcijski faktor, ko
60 i više 1,00
45 – 60
45 i manje 0,93
gdje je: ko je korekcijski faktor za udio doma�e komponente izme�u 45% i 60%, zaokruženo na dvije decimale, p-utvr�eni postotni udio doma�e komponente. Pravna poveznica za prosje�nu proizvodnu cijenu elektri�ne energije jednaka je cijeni proizvodnje elektri�ne energije za tarifne kupce iz kategorije ku�anstva s jednotarifnim obra�unom elektri�ne energije. Tarifni sustav u obzir je uzeo i socijalni u�inak pa �e, uz pretpostavljenu procjenu prosje�ne godišnje potrošnje elektri�ne energije za ku�anstvo od 3500 kW h, naknada za poticanje proizvodnje elektri�ne energije iz postrojenja koja koriste obnovljive izvore enrgije i kogeneracijskih postrojenja pove�ati mjese�ni ra�un za elektri�nu energiju za oko 3 kune po ku�anstvu. Prora�un poticajnih cijena za pojedine obnovljive izvore energije ra�en je uz zahtjev ostvarivanja interne stope povrata, odnosno uz pretpostavku da �e se za razdoblje trajanja ugovora o otkupu elektri�ne energije od 12 godina postrojenje u potpunosti isplatiti. Nakon toga bit �e mogu�e, s obzirom na razvoj tržišta zelene elektri�ne energije, ostvarivati pogodnosti kroz prodaju elektri�ne energije na otvorenom tržištu ili kroz nove ekološke institute za obnovljive izvore (zeleni certifikati i dr). Troškovi energije uravnoteženja (odstupanja u vrijednostima planirane i proizvedene elektri�ne energije iz postrojenja povlaštenih proizvo�a�a koji imaju pravo na poticajnu cijenu) odre�eni su tako da za naredne dvije godine iznose 10% prosje�ne proizvodne cijene elektri�ne energije. Tijekom usuglašavanja Tarifnog sustava i uredbi razmatrana je posebna visina tarifnih stavki za vjetroelektrane, skaliranje za male hidroelektrane, uvo�enje novih frakcija za biomasu, pla�anje naknade jedinicima lokalne samouprave na �ijem su podru�ju proizvodni objekti (vjetroelektrane snage ve�e od 1 MW, geotermalne elektrane i male hidroelektrane) u iznosu 0,01 kn/kWh, godišnje korekcije visine tarifne stavke za indeks cijena na malo, analiti�ke podloge, CBA metodologija, simulacija izra�una naknade za poticanje po tri scenarija, energije i kogeneracije [25]. 2.2.2. Pravilnik o korištenju obnovljivih izvora energije i kogeneracije Pravilnik o korištenju obnovljivih izvora energije i kogeneracije, uvodi klasifikaciju obnovljivih izvora energije i kogeneracije koji se koriste za proizvodnju energije, propisuje uvjete i mogu�nosti za korištenje, planiranje, projektiranje i izgradnju
25
postrojenja za njihovo iskorištavanje te ure�uje na�in upisa u registar projekata koji se vodi u suradnji MINGORP-a, Hrvatske energetske regulatorne agencije i Hrvatskog operatora tržišta energije. Pri tome su kod umreženih toplinskih sustava uvjeti korištenja OIE-a regulirani na podru�ju tržišta toplinske energije, dok za individualne (neumrežene) elektri�ne, odnosno toplinske sustave koji koriste obnovljive izvore energije Vlada može donijeti posebne uvjete i poticajne mjere. Kada se radi o vjetroelektranama, uvedeno je rezervirano pravo njihovog gra�enja u slu�aju da se istražno podru�je pokaže interesantnim, no prethodno odobrenje i odobrenje za izgradnju daje MINGORP [25]. 2.2.3. Uredba o minimalnom udjelu elektri�ne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije �ija se proizvodnja poti�e Najvažniji naglasci iz Uredbe o minimalnom udjelu elektri�ne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije �ija se proizvodnja poti�e (NN 33/2007) su sljede�i [25]: • minimalni udio obnovljivih izvora energije i kogeneracije koji su energetski subjekti za opskrbu (tarifnih i povlaštenih kupaca) obvezni preuzeti odre�uje Vlada • proizvodnja elektri�ne energije iz OIE-a i kogeneracije za Hrvatsku je ekonomski opravdana s gledišta izbjegnutih troškova lokalnih šteta u okolišu • u strukturi ukupne potrošnje elektri�ne energije do 2010. godine nekonvencionalni obnovljivi izvori trebaju iznositi 1139 GWh ili oko 5,8% • u strukturi ukupne potrošnje elektri�ne energije do 2010. godine svi obnovljivi izvori energije (uklju�uju�i i HE snage ve�e od 10 MW) trebaju iznositi 6750 GWh ili oko 34,4 % prema referentnom scenariju S2 iz Strategije energetskog razvitka ukupni udio obnovljivih izvora energije do 2010. godine trebao bi iznositi 40,2%. 2.2.4. Uredba o naknadama za poticanje proizvodnje elektri�ne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije Uredba o naknadama za poticanje proizvodnje elektri�ne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije (NN 33/2007) odre�uje iznos naknada za poticanje primjene obnovljivih izvora energije i kogeneracija koju �e opskrba morati uklju�iti u cijenu energije, a u cilju prikupljanja sredstava za podmirenje inkrementalnih troškova poticanja obnovljivih izvora energije [25]. Naknade pri tome iznose od 0,0089 kn/kW h u 2007. do 0,0350 kn/kWh u 2010. godini. 2.2.5. Pravilnik o stjecanju statusa povlaštenog proizvo�a�a elektri�ne energije Pravilnik o stjecanju statusa povlaštenog proizvo�a�a elektri�ne energije, propisuje vrste postrojenja s obzirom na primjenu tehnologije obnovljivih izvora energije, odnosno kogeneracije, tehno-ekonomske specifi �nosti primjene te gospodarsku opravdanost, a tako�er osigurava realne odnose i zdrave konkurentske sile na tržištu te poticanje razvoja hrvatskog tržišta elektri�ne
26
energije. Kao kriteriji pri tome služe stru�na procjena uvjeta na tržištu, razvoj tehnologija i situacija u Hrvatskoj te uskla�enost s relevantnim direktivama EU-a. S obzirom na to, promatraju se dvije osnovne skupine: instalirane elektri�ne snage manje od 1 MW priklju�ena na distribucijsku elektroenergetsku mrežu, te instalirane elektri�ne snage ve�e od 1 MW priklju�ena na prijenosnu ili distribucijsku elektroenergetsku mrežu [25].
Slika 2.1. Shema djelovanja tržišta elektri�ne energije iz obnovljivih izvora energije [25]
Slika 2.2. Ekonomski instrumenti za obnovljive izvore energije [25]
27
3. ENERGIJA BIOMASE
3.1. Vrste i osnovne zna�ajke biomase Biomasa je biorazgradivi dio proizvoda, otpada i ostataka poljoprivredne proizvodnje (biljnog i životinjskog porijekla), šumarske i srodnih industrija. Energija iz biomase dolazi u �vrstom, teku�em (npr. biodizel, bioetanol, biometanol) i plinovitom stanju (npr. bioplin, plin iz rasplinjavanja biomase i deponijski plin).
Biomasa je obnovljivi izvor energije, a op�enito se može podijeliti na drvnu, nedrvnu i životinjski otpad, unutar �ega se mogu razlikovati:
� drvna biomasa (ostaci iz šumarstva, otpadno drvo), � drvna uzgojena biomasa (brzorastu�e drve�e), � nedrvna uzgojena biomasa (brzorastu�e alge i trave), � ostaci i otpaci iz poljoprivrede, � životinjski otpad i ostaci, � gradski i industrijski otpad.
Glavna prednost u korištenju biomase kao izvora energije su obilni potencijali, ne samo u tu svrhu zasa�ene biljne kulture ve� i otpadni materijali u poljoprivrednoj i prehrambenoj industriji. Plinovi koji nastaju korištenjem biomase mogu se tako�er iskoristiti u proizvodnji energije. Prednost biomase u odnosu na fosilna goriva je i neusporedivo manja emisija štetnih plinova i otpadnih tvari. Ra�una se da je optere�enje atmosfere s CO2 pri korištenju biomase kao goriva zanemarivo, budu�i da je koli�ina emitiranog CO2 prilikom izgaranja jednaka koli�ini apsorbiranog CO2 tijekom rasta biljke (slika 3.1.) - ukoliko su sje�a i prirast drvne mase u održivom odnosu – 1 hektar šumskih površina godišnje apsorbira jednaku koli�inu CO2 koja se osloba�a izgaranjem 88 000 litara loživog ulja ili 134 000 m3 prirodnog plina. Me�utim spaljivanje biomase stvaraju se i drugi zaga�uju�i plinovi te otpadne vode. Samo je u velikim pogonima isplativa izgradnja ure�aja za reciklažu otpada, dok u manjim to nije isplativo pa se postavlja pitanje koliko je to u ekološkom smislu profitabilno. Osim toga, prikupljanje, transport i skladištenje biomase vrlo je skupo što je još jedan nedostatak ove tehnologije. Korištenje biomase omogu�ava i zapošljavanje (otvaranje novih i zadržavanje postoje�ih radnih mjesta), pove�anje lokalne i regionalne gospodarske aktivnosti, ostvarivanje dodatnog prihoda u poljoprivredi, šumarstvu i drvnoj industriji kroz prodaju biomase-goriva (procjenjuje se da je u 2005. godini na poslovima proizvodnje biomase i njenog korištenja za energiju na podru�ju Europske unije bilo zaposleno preko pola milijuna ljudi).
28
Slika 3.1. Kumulativna CO2 neutralnost
(ukoliko je sje�a uskla�ena sa prirastom – ekološki prihvatljivo)
Slika 3.2. Korištenje biomase i o�ekivani porast zaposlenosti u RHSlika 2.2.Scenarij doprinosa pri zapošljavanju korištenja biomase u Hrvatskoj
1- ukupno zaposleni
2-proizvodnja biomase 3-posluživanje postrojenja
4-proizvodnja postrojenja 5-prate�e djelatnosti
29
3.2. Tehnologije proizvodnje energije iz biomase U ovom poglavlju objašnjeni su postupci dobivanja energije iz pojedinih vrsta biomase, kao i na�ini njihovog iskorištenja odnosno primjene za proizvodnju elektri�ne energije, topline, ali i za pokretanje automobila, tj. kao gorivo. 3.2.1. Drvna biomasa
Postoje razni na�ini da se iz drvne biomase dobije energija. Upotrebljava se isklju�ivo šumska biomasa (ostaci i otpad nastali redovitim gospodarenjem šumama, prostorno i ogrjevno drvo) i biomasa iz drvne industrije (ostaci i otpad pri piljenju, brušenju, blanjanju -gorivo u vlastitim kotlovnicama, sirovina za proizvode, briketi i peleti - nastaju sabijanjem, odnosno prešanjem usitnjene drvne biomase u rasutom stanju radi transporta i automatizacije loženja, i dr. - jeftinije i kvalitetnije gorivo od šumske biomase). Pri obradi drveta gubi se oko 35 - 40% od ulazne sirovine u procesu proizvodnje, a koli�ina otpada za neke proizvode kao što su parketi iznosi i do 65%.
a) b)
Slika 3.3. a) Briketi, b) Peleti
Biomasa se može izravno pretvarati u energiju jednostavnim sagorijevanjem (izgaranjem) te se tako proizvesti pregrijana vodena para za grijanje u industriji i ku�anstvima ili za dobivanje elektri�ne energije u malim termoelektranama. Takva postrojenja kao gorivo koriste drvni otpad iz šumarstva i drvne industrije, slama i drugi poljoprivredni ostaci te komunalni i industrijski otpad (u središtu se Be�a gradi velika kogeneracijska elektrana na biomasu koja �e od ove godine proizvoditi toplinu za 12 000 obitelji, odnosno dovoljno elektri�ne energije za �ak 45 000 obitelji). Osnovne su zna�ajke pri primjeni šumske ili drvne biomase kao energenta jednake kao kod svakog goriva:
� kemijski sastav, � ogrjevna (energetska) vrijednost � temperatura samozapaljenja, � temperatura izgaranja , � fizikalna svojstva koja utje�u na ogrjevnost (npr. gusto�a, vlažnost i
dr).
30
Slika 3.4. Primjer grijanja ku�anstva pomo�u biomase Temeljna veli�ina za prora�un energije iz odre�ene koli�ine drva jest njegova ogrjevnost (ogrjevna vrijednost). Najve�i utjecaj na nju ima vlažnost (udio vlage-za svježe drvo 50-55 %), potom kemijski sastav, gusto�a i zdravost drva (u 2,5 kg ogrjevnog drva-cca 20% vlage- u prosjeku sadržano je energije kao u 1 litri loživog ulja).
Ogrjevna vrijednost se odre�uje mjerenjem u kalorimetru, pri �emu zrak i gorivo u ložište moraju do�i pod istom temperaturom i nastali produkti izgaranja moraju biti ohla�eni na istu temperaturu. Razlikujemo gornju i donju ogrjevnu vrijednost.
Gornja ogrjevna vrijednost, Hg je ona koli�ina topline koja nastaje potpunim izgaranjem jedini�ne koli�ine goriva, pri �emu se dimni plinovi ohlade na temperaturu 25 °C, a vlaga se iz njih izlu�uje kao kondenzat.
Donja ogrjevna vrijednost, Hd je ona koli�ina topline koja nastaje potpunim izgaranjem jedini�ne koli�ine goriva, pri �emu se dimni plinovi ohlade na temperaturu 25 °C, a vlaga u njima ostaje u stanju pare te toplina kondenzata ostaje neiskorištena. Pri opisivanju efikasnosti sustava uzimamo u obzir donju ogrjevnu vrijednost jer je ona realna, tj. uzima u obzir gubitke (gornja ogrjevna vrijednost upotrebljava se samo teoretski).
Zbog ve�eg udjela vlage i hlapivih sastojaka (do 80%), energetska vrijednost drvne mase je znatno niža u odnosu na fosilna goriva, od 8,2 do 18,7 MJ/kg (za usporedbu: kamenog ugljena 24-37,7 MJ/kg, mrkog 12,7-23,9 MJ/kg, lignita do 12,6 MJ/kg), a i dizajn pe�i mora biti razli�it u odnosu na one za ugljen: � izgaranje na rešetci (manji sustavi - manji troškovi, ali za vlažno
neravnomjerno izgaranje, tj. ve�e emisije) � fluidizirani sloj (ve�i sustavi - pogodno za goriva niske gorive vrijednosti, tj.
sa ve�im udjelom vlage).
Za naše podneblje i vrste drve�a važno je za njegovu ogrjevnost utvrditi ubraja li se ono u lista�e ili �etinja�e, odnosno u meko ili tvrdo drvo, jer je udio pojedinih
31
sastojaka pri tome razli�it, a razli�ita je i tvar koja se može koristiti kao gorivo. Smanjenjem vlažnosti biomase ogrjevna vrijednost se uvelike pove�ava. Iz tog je razloga, za što bolje iskorištenje energije, korisno sušiti biomasu.
Slika 3.5. Modul skladištenja i sušenja biomase Koncepcija modula biomase je da se kompletna oprema ugra�uje dijelom unutar standardnog ISO – kontejnera, a dijelom na kontejneru. Modul biomase osigurava volumen skladišta biomase od 50 m3 �ime je osigurana zaliha u skladištu za 30 - 35 sati rada postrojenja sa maksimalnim kapacitetom - što omogu�ava dopunjavanje skladišta biomase jedan puta dnevno. Kompletan sustav manipulacije sa biomasom u okviru modula je vo�en mikroprocesorski. Za rad postrojenja - predvi�ena je usitnjena drvna biomasa do veli�ine od 50 mm (kora, sje�ka pilanskog i finalnog drvnog otpada, te usitnjena šumska biomasa) ili usitnjena poljoprivredna biomasa (oklasak i usitnjene stabljike kukuruza i suncokreta). Sušenje se provodi sa toplim zrakom temperature cca 100 oC -iz toplovodnog izmjenjiva�a. Topla voda koja zagrijava zrak za sušenje dovodi se iz vodom hla�enog ložišta zagrija�a zraka za turbinu. Navedeni sistem sušenja omogu�ava skidanje vlage biomase za cca 20 %. U slu�aju rada sa izrazito vlažnom biomasom - mogu�e je izvršiti dogradnju kanala za dovo�enje dimnih plinova za sušenje (cca 220 oC) �ime se može dodatno pove�ati sušenje uz pove�anje energetske vrijednosti biomase do cca 20 %. 3.2.2. Nedrvna biomasa
Osim ostale nedrvne biomase, u Hrvatskoj bi osobitu važnost mogli imati ostaci iz poljoprivrede, tj. poljoprivredna biomasa (kukuruzovina, oklasak, stabljike suncokreta, slama, ljuske, koštice višanja, ostatke pri rezidbi vinove loze i maslina, kore od jabuka...). Iskustva iz razvijenih zemalja, u Europi osobito Danske, pokazuju kako se radi o vrijednom izvoru energije koji se ne bi trebao zanemariti. Ilustrativan je stoga sljede�i primjer. Nakon berbe kukuruza na obra�enom zemljištu ostaje kukuruzovina, stablijika s liš�em, oklasak i komušina. Budu�i da je
32
prosje�ni odnos zrna i mase (tzv. žetveni omjer) 53% : 47%, proizlazi kako biomase približno ima koliko i zrna. Ako se razlu�e kuruzovina i oklasak, tada je njihov odnos prosje�no 82% :18%, odnosno na proizvedenu 1 t zrna kukuruza dobiva se i 0,89 t biomase kukuruza što �ine 0,71 t kukuruzovine i 0,18 t oklaska. Iako je neosporno kako se nastala biomasa mora prvenstveno vra�ati u zemlju, preporu�uje se zaoravanje izme�u 30 i 50% te mase, što zna�i da za energetsku primjenu ostaje najmanje 30%. Na ogrjevne vrijednosti nedrvne biomase podjednako utje�u udio vlage i pepela. Udio pepela u nedrvenim biljnim ostacima može iznositi i do 20% pa zna�ajno utje�e na ogrjevnost (npr. slama-ve�i udio Na, Cl, K-manja temperatura taljenja pepala-taloženje). Op�enito, supstance koje �ine pepeo nemaju nikakvu energetsku vrijednost (energetska vrijednost biljnih ostataka: 5,8 – 16,7 MJ/kg). Osim ostataka i otpada postoji veliki broj biljnih vrsta koje je mogu�e uzgajati tzv. energetski nasadi sa velikim prinosima; kao što su brzorastu�e drve�e i kineske trske s godišnjim prinosom od 17 tona po hektaru, eukaliptus: 35 t suhe tvari, zelene alge s prinosom od 50 tona po hektaru, biljke bogate uljem ili še�erom, a u Hrvatskoj se najve�i prinosi postižu s topolama,vrbama i jablanima…
Slika 3.6. Energetski nasadi 3.2.3. Bioplin Bioplin je miješavina plinova koja nastaje fermentacijom biorazgradivog materijala u okružju bez kisika. On je miješavina metana CH4 (40-75 %), uglji�nog dioksida CO2 (25-60 %) i otprilike 2 % ostalih plinova (vodika H2, sumporovodika H2S, ugljikovog monoksida CO). Bioplin je otprilike 20 % lakši od zraka i bez mirisa je i boje. Temperatura zapaljenja mu je izme�u 650 i 750 0C, a gori �isto plavim plamenom. Njegova kalorijska vrijednost je oko 20 MJ/Nm3 i gori sa oko 60 %-om u�inkovitoš�u u konvencionalnoj bioplinskoj pe�i. Bioplin se dobiva iz organskih materijala. Podrijetlo sirovina može varirati, od sto�nih otpadaka, žetvenih viškova, ostataka ulja od povr�a do organskih otpadaka iz ku�anstava. Osim tih materijala, za proizvodnju bioplina može se koristiti i trava. Ali
33
fermentacijska postrojenja za travu moraju ispunjavati više tehni�ke zahtjeve od konvencionalnih bioloških bioplinskih postrojenja, koja koriste �vrsto ili teku�e gnojivo.
Postoje dva osnovna tipa organske digestije (razgradnje): aerobna (uz prisustvo kisika) i anaerobna (bez prisustva kisika). Svi organski materijali, i životinjski i biljni, mogu biti razgra�eni u ova dva procesa, ali produkti �e biti vrlo razli�iti. Aerobna digestija (fermentacija) proizvodi uglji�ni dioksid, amonijak i ostale plinove u malim koli�inama, veliku koli�inu topline i kona�ni proizvod koji se može upotrijebiti kao gnojivo. Anaerobna digestija proizvodi metan, uglji�ni dioksid, nešto vodika i ostalih plinova u tragovima, vrlo malo topline i kona�ni proizvod sa ve�om koli�inom dušika nego što se proizvodi pri aerobnoj fermentaciji. Takvo gnojivo sadži dušik u mineraliziranom obliku (amonijak) koje biljke mogu brže preuzeti nego organski dušik što ga �ini posebno pogodnim za oplemenjivanje obradivih površina. Anaerobna digestija (slika 1.) se odvija samo u specifi�nim uvjetima me�u kojima su ulazna pH vrijednost ulazne mješavine izmešu 6 i 7, potrebna temperatura od 25-35 0C te odre�eno vrijeme zadržavanja mješavine u digestoru.
Slika 3.7. Proces dobivanja bioplina
Postrojenje za proizvodnju bioplina naziva se digestor. Budu�i da se u njemu doga�aju razli�ite kemijske i mikrobiološke reakcije, poznat je i kao bioreaktor ili anaerobni reaktor. Glavna mu je funkcija da pruži anaerobne uvjete. Mora biti nepropustan za zrak i vodu. Može se napraviti od razli�itih materijala i razli�itih oblika i veli�ina, a to ovisi uglavnom o sirovini koji �emo upotrijebiti. Sustavi namijenjeni za digestiju teku�e ili �vrste sirovine uglavnom se pune i prazne pomo�u pumpi. Kompletni digestorski sustav se sastoji od jame za sakupljanje gnojiva, spremnika za miješanje, cijevi za odvo�enje, digestora, spremnika i sustava za iskorištavanje plina. Dobiveni se bioplin naj�eš�e koristi za dobivanje toplinske i/ili elektri�ne energije izgaranjem u kotlovima, plinskim motorima ili turbinama (korištenjem izmeta od 120 krava može proizvesti dovoljno bioplina za pogon motora snage 50 kW, što je dovoljno za pokrivanje potreba za elektri�nom energijom manjeg sela).
Tablica 3.1. Koli�ina bioplina i energije dobivena iz životinjskog otpada (ovisi o vrsti životinje)
34
Životinja Vrsta otpada
Koli�ina (kg/dan)
Suho (kg/dan)
Bioplin (m3/dan)
Energija (kWh/god)
Teku�i 51 5,4 1,6 3400
Goveda Suhi 32 5,6 1,6 3400
Teku�i 16,7 1,3 0,46 970
Svinje Suhi 9,9 2,9 0,46 970
Perad Suhi 0,66 0,047 0,017 36
Termokemijske tehnologije pretvorbe biomase u energiju, osim sagorijevanja, su još i rasplinjavanje i piroliza. Rasplinjavanje se provodi na visokoj temperaturi (i do 1400�C) uz ograni�en dotok kisika, �ime se pove�ava efikasnost proizvodnje elektri�ne energije u plinskoj turbini oko 35% (mogu�e i do 45%), u parnom kotlu na drva oko 20%. Glavni problem kod rasplinjavanja su plinske turbine koje su vrlo osjetljive na ne�isto�e u plinu (�estice, para) –potrebno pro�iš�avanje, a to je skupo. Sastav plina je CO, CH4 i H2, a svojstva ovise o dizajnu ure�aja za rasplinjavanje (odozgo (protustrujno), odozdo (istostrujno) ili u sloju), temperaturi, vlažnosti i sastavu biomase, sredstvu rasplinjavanja (zrak: 4-6 MJ/Nm3 ili kisik: 15-20 MJ/Nm3 ). Piroliza je tako�er termokemijski proces, s ograni�enim dotokom kisika (druga faza sagorijevanja i rasplinjavanja), pri �emu dolazi do isparavanja hlapljivih sastojaka i proizvodnje teku�eg goriva (bio-ulja), pogodnije za transport i skladištenje (manji troškovi). Složeni je proces: vrlo promjenjiva svojstva bio-ulja ovisno o uvjetima i sirovini, ulje sli�no nafti. Znatan potencijal (npr. piroliza otpada), ali potrebna ulaganja u istraživanje i razvoj, za sada malo primjera komercijalnih postrojenja. 3.2.4. Alkoholna goriva (etanol) Osnovne faze u procesu proizvodnje etanola su: priprema sirovine, fermentacija i destilacija etanola. Priprema sirovine je zapravo hidroliza molekula škroba enzimima u še�er koji može fermentirati. Uobi�ajena tehnologija za proizvodnju etanola je fermentacija u pe�i s obi�nim kvascem za proizvodnju 8 do 10%-tnog alkohola nakon 24 do 72 h fermentacije. Nakon toga slijedi destilacija tog alkohola u nekoliko faza �ime se dobiva 95%-tni etanol. Za proizvodnju posve �istog etanola, kakav se koristi za miješanje s benzinom, dodaje se benzen i nastavlja destilacija te se dobiva 99,8%-tni etanol.
Etanol se može proizvoditi od tri osnovne vrste biomase: še�era (od še�erne trske, melase), škroba (od kukuruza) i celuloze (od drva, poljoprivrednih ostataka). Sirovine bogate še�erima vrlo su pogodne za proizvodnju etanola, budu�i da ve� sadržavaju jednostavne še�ere glukozu i fruktozu koji mogu fermentirati izravno u
35
etanol. Sirovine bogate škrobom sadržavaju velike molekule ugljikovodika koje treba razložiti na jednostavne še�ere procesom saharifikacije. To zahtijeva još jednu fazu u procesu proizvodnje što pove�ava troškove. Ugljikovodici u sirovinama bogatim celulozom sastavljeni su od još ve�ih molekula i trebaju se konvertirati u še�ere koji mogu fermentirati kiselom ili enzimatskom hidrolizom. Najzna�ajnije biljne vrste koje se uzgajaju za proizvodnju etanola su še�erna trska, slatki sirak, cassava i kukuruz. Tablica 3.2. Prinos etanola iz raznih sirovina Sirovina Prinos etanola
(l/t) Prinos sirovine
(t/ha) Prinos
alkohola (l/ha)
God. energija (GJ/ha)
Še�erna trska 70 50 3500 1350 Slatki sirak 86 35 3010 945 Kukuruz 370 6 2200 162 Drvo 160 20 3200 540 Etanol se može koristiti u motorima s unutarnjim izgaranjem uz dodavanje benzinu ili kao njegova potpuna zamjena. Za dodavanje do 20% etanola u benzin nisu potrebne nikakve preinake ni zahvati na motoru, dok za dodavanje ve�eg udjela ili za pogon samo na etanol treba djelomi�no modificirati motor što poskupljuje cijenu takvih vozila za oko 5 do 10%.
Vode�a zemlja u proizvodnji i primjeni etanola za vozila je Brazil, u kojem se svake godine proizvede više od 15 milijardi l. Oko 15% brazilskih vozila se kre�e na �isti etanol, a oko 40% koriste 20%-tnu smjesu s benzinom. Etanol se po�eo proizvoditi kako bi se smanjila brazilska ovisnost o inozemnoj nafti i otvorilo dodatno tržište doma�im proizvo�a�ima še�era U SAD-u etanolske smjese �ine oko 9% ukupne godišnje prodaje benzina.
Za proizvodnju metanola mogu se koristiti sirovine s visokim udjelom celuloze kao što je drvo i neki ostaci iz poljoprivrede. Tehnologija je posve razli�ita od one za proizvodnju etanola. Proizvodnja se odvija u dvije faze. U prvoj se sirovina konvertira u plinoviti me�uproizvod iz kojeg se sintetizira metanol. Faza sinteze metanola je dobro poznata i komercijalno dokazana, dok je faza rasplinjavanja još u razvoju. Takva istraživanja se provode u zemljama s velikim drvnim potencijalom kao što su Švedska i Brazil, a primjena takvih postrojenja se o�ekuje uskoro.
36
Tablica 3.3. Usporedba svojstava alkoholnih goriva i benzina Svojstvo Etanol Metanol Benzin Gusto�a (kg/m3) 789 793 720-750 Ogrjevna vrijednost (MJ/kg) 21,3-29,7 15,6-22,3 32,0-46,5 Stehiometr. omjer zraka i goriva (kg/kg)
9,0 6,5 14,6
Temperatura vrenja pri 1 bar (oC) 7,5 65,0 30,2 Stupanj viskoznosti - 0,58 0,60 Oktanski broj 106 112 91-100 3.2.5. Biodizel Biodizel je komercijalni naziv pod kojim se metil-ester, bez dodanog mineralnog dizelskog goriva, nalazi na tržištu teku�ih goriva i prodaje krajnim korisnicima. Standardizirano je teku�e nemineralno gorivo, neotrovan, biorazgradivi nadomjestak za mineralno gorivo, a može se proizvoditi iz biljnih ulja, recikliranog otpadnog jestivog ulja ili životinjske masti procesom esterifikacije, pri �emu kao sporedni proizvod nastaje glicerol. Metil-ester je kemijski spoj dobiven reakcijom (esterifikacija) biljnog ulja (uljana repica, suncokret, soja, palma, ricinus itd.) ili životinjske masti s metanolom u prisutnosti katalizatora. Izbor osnovne sirovine za dobijanje biodizela zavisi od specifi�nih uslova i prilika u konkretnim zemljama, u Europi se za proizvodnju biodizela najviše koristi ulje uljane repice (82,8%) i ulje suncokreta (12,5%), dok se u Americi najviše koristi ulje soje, a u azijskim zemljama se koristi i palmino ulje.
Slika 3.8. Izbor osnovne sirovine za dobijanje biodizela u Europi Prednosti biodizela: osim što je po svojim energetskim sposobnostima jednak obi�nom dizelu, ima puno bolju mazivost, pa zna�ajno produžava radno trajanje
37
motora. Najvažnije su njegove osobine vezane uz smanjenje one�iš�enja okoliša. Ukupna emisija CO2 ekvivalenta (g/km) biodizela ovisi o uporabljenoj sirovini: za biodizel iz suncokreta oko 50 g/km, za biodizel iz uljane repice oko 110 g/km, dok je ona �ak i negativna rabi li se za proizvodnju biodizela otpadno jestivo ulje. Za usporedbu kod klasi�nog dizela ukupna emisija CO2 ekvivalenta iznosi oko 220 g/km. Uz to valja naglasiti da dolazi do smanjenja emisije CO za 42,7 %, ugljikohidrata za 56,3 %, krutih �estica za 55,3 %, toksina za 60 do 90 % uz potpunu eliminaciju sulfata. Mogu�a je proizvodnja i u ku�noj radinosti. Lakša je zapaljiv. Transport biodizela gotovo je potpuno neopasan za okoliš, jer se dospjevši u tlo razgradi nakon 28 dana. Ako nafta tijekom manipulacije ili transporta dospije u vodu, jedna litra zagadi gotovo milijun litara vode, dok kod biodizela takvo zaga�enje ne postoji, jer se on u vodi potpuno razgradi ve� nakon nekoliko dana. Nedostaci biodizela: postoji mogu�nost za�epljenja injektora, miris prženog ulja iz ispuha, visoka viskoznost, manja energetska vrijednost: 37,2 MJ/l (nafta 42, MJ/l ) – ve�a potrošnja. Pri proizvodnji biodizela iz uljane repice, nastaje �itav niz veoma profitabilnih nusprodukata, poput poga�e ili sa�me, koja je visokovrijedan proteinski dodatak sto�noj hrani, dobivamo i glicerol, koji se koristi kao sirovina u kozmeti�koj i farmaceutskoj industriji.Na kraju tehnološkog procesa, kao nusprodukt se dobiva i uljni mulj, koji se koristi kao visokokvalitetno gnojivo za povrtne kulture u ekološkoj poljoprivredi. Zbog svojih brojnih pozitivnih osobina, biodizel je svoju najširu primjenu našao upravo u ekološkoj poljoprivredi, gdje je, po me�unarodnim kriterijima, i jedini dopustivi energent. Bez uporabe biodizela (ili nekog drugog biogoriva), danas se u EU ne može dobiti certifikat o �isto�i ekološki proizvedenih poljoprivrednih proizvoda. 3.2.6. Energija otpada Ubrzani razvitak industrije, a osobito potroša�ki organizirano društvo, uzrokovali su globalnu "ekološku" krizu, koja se u razvijenim državama o�ituje poglavito kao problem zbrinjavanja otpada. Nekontrolirano i neodgovorno odložen otpad ugrožava zdravlje ljudi i okoliš, a brojni su primjeri u kojima je dokazano ošte�enje zdravlja ljudi zbog neodgovornog postupanja s otpadom. Svjetska iskustva pokazuju da je problem otpada mogu�e riješiti samo cjelovitim sustavom gospodarenja. Primarni cilj je zbrinjavanje gradskog otpada, a tek potom proizvodnja energije (iskorištavaju�i «zeleni dio» recikliranog ku�nog otpada, biomasu iz parkova i vrtova, mulj iz kolektora otpadnih voda) jer su za to potrebni veliki investicijski troškovi (oko US$ 4000/kW). Termi�ka obrada otpada Korištenje energije otpada za grijanje i/ili proizvodnju elektri�ne energije jedan je od na�ina za u�inkovitu uporabu otpada uz, ukoliko se provodi ispravno, minimalan utjecaj na okoliš. Postupci termi�ke obrade otpada, poglavito u urbaniziranim - gusto naseljenim sredinama, omogu�uju istovremeno neutraliziranje štetnih svojstava i njegovo energetsko iskorištavanje. Postoje razli�ite tehni�ke mogu�nosti termi�ke obrade otpada, od kojih je
38
sagorijevanje otpada dosad najviše korišteno. Oko potrebe i mogu�nosti primjene izgaranja komunalnog otpada u Hrvatskoj i svijetu provedene su brojne rasprave. U svijetu stalno raste broj postrojenja za termi�ku obradu otpada izgaranjem i ta se tehnologija najviše koristi upravo u razvijenim državama. Mogu�nost kogeneracije energije otpada, u okvirima cjelovitog sustava gospodarenja energijom, obuhva�a vrednovanje deponijskog plina kod ure�enih suvremenih deponija, bioplina kod takozvane anaerobne hladne obrade otpada i termi�ku obradu otpada pomo�u razli�itih postupaka otplinjavanja, rasplinjavanja, sagorijevanja i razli�itih kombinacija tih postupaka. Proizvodnja energije iz otpada u svijetu nije rijetkost. Tako se danas u Švedskoj otpad energetski iskorištava u 21-om postrojenju za spaljivanje, �ime se godišnje zbrinjava 1,7milijuna tona otpada (oko polovice ukupne koli�ine komunalnog otpada). Deponijski plin Osim navedenog na�ina termi�ke obrade otpada, mogu�e je proizvoditi i bioplin iz deponijskog otpada na suvremenim ure�enim deponijama procesom takozvane anaerobne hladne obrade otpada. U industrijskim zemljama nastaje 300-400 kg sme�a godišnje po osobi. Deponijski plin nastaje razgradnjom organskih supstanci pod utjecajem mikroorganizama u anaerobnim uvjetima. U središtu deponije nastaje nadpritisak, pa deponijski plin prelazi u plinske sonde sabirnog sustava. Prosje�an sastav deponijskog plina je 35-60 % metana, 37-50 % ugljen-dioksida i u manjim koli�inama se mogu na�i ugljen-monoksid, dušik, vodik-sulfid, fluor, klor, aromati�ni ugljikovodici i drugi plinovi u tragovima. Ovaj koncept podrazumijeva postavljanje vertikalnih perforiranih cijevi u tijelo deponije (bunari, trnovi, sonde) i njihovo horizontalno povezivanje. U kompresoru deponijski plin se isisava, suši i usmjerava ka plinskom motoru. Iz sigurnosnih razloga preporu�uje se ugradnja visokotemperaturne baklje koja preuzima viškove plina. Deponijski plin sa prosje�nim sadržajem metana od 50 % ima donju ogrjevnu vrijednost Hd=5 kWh/Nm3, što ga �ini dobrim gorivom za pogon plinskih motora specijalno razvijenih za ovu namjenu. Plinski motor pokre�e generator za proizvodnju elektri�ne energije. Putem izmjenjiva�a topline, dobije se toplinska energija iz vode koja hladi motor i ulje za podmazivanje, kao i iz ispušnih plinova. Kod kombinirane upotrebe elektri�ne i toplinske energije postiže se visok stupanj korisnosti ovih ure�aja ( el� = 40%, term� = 43%). Ovo zna�i da se iz 1 Nm3 deponijskog plina (uz Hd = 5kWh/Nm3) dobije 2 kWh elektri�ne energije i 2,15 kWh toplinske energije. Dobivena elektri�na energija koristi se za vlastite potrebe ili se predaje u elektri�nu mrežu. Proizvedena toplina koristi se na deponiji za proizvodnju tople vode, u staklenicima i plastenicima za proizvodnju ranog povr�a i cvije�a, u industrijskim pogonima u blizini deponije, ili za grijanje stambenih zgrada kao i kod drugih potroša�a toplinske energije.
39
3.2.7. Kogeneracija Radi pove�anja stupnja djelovanja koristi se kogeneracija – istovremena proizvodnja toplinske i elektri�ne energije, pri �emu je potreban potroša� topline (npr. šumarska industrija). Male kogeneracijske elektrane su višenamjenski objekti, koji iz fosilnih goriva i biomase postupkom kogeneracije proizvode elektri�nu i toplinsku energiju, a u odre�enim slu�ajevima proizvodi se i hladna voda za potrebe hla�enja. Goriva za pogon malih kogeneracijskih elektrana su plinovita, teku�a i kruta. Odgovaraju�e toplinske snage ovise o vrsti energetskog agregata i kre�u se u rasponu 20-20000 kWe. Osnovna prednost malih kogeneracijskih elektrana u odnosu na odvojenu proizvodnju elektri�ne i toplinske energije je smanjenje troškova goriva za proizvodnju navedene energije, a time i smanjenje zaga�enja okoliša. Pri odvojenoj proizvodnji elektri�ne i toplinske energije mogu�e je posti�i ukupan stupanj djelovanja do 50 % (veliki gubici pri odvojenoj proizvodnji elektri�ne energije). U kogeneracijskim postrojenjima taj ukupan stupanj djelovanja raste i do 80 %. Pored prednosti kogenerativne proizvodnje energije, korištenjem malih kogeneracijskih elektrana (što je osobito �est slu�aj kod biomase) otpada prijenos na ve�e udaljenosti, jer se toplina i struja proizvode okolišno prihvatljivo u težištima potrošnje. Toplina se predaje izravno u objektu ili u obližnju toplinsku mrežu. Elektri�na energija se tako�er koristi u objektu, a višak se isporu�uje u postoje�u lokalnu niskonaponsku, ili srednjenaponsku mrežu. Prednost malih kogeneracijskih elektrana je i u modularnoj izvedbi, pa se veli�ina malih kogeneracijskih objekata može prilagoditi porastu potrošnje elektri�ne i toplinske energije stupnjevitom izgradnjom odnosno dodatnim modulima. Postoje�e toplane i rezervni elektri�ni agregati mogu se dograditi, odnosno rekonstruirati u male kogeneracijske elektrane. U prednosti malih kogeneracijskih elektrana mogu se još ubrojiti relativno mala dodatna ulaganja isplativa za nekoliko godina, lokacija je redovito u okviru industrijskog ili javnog objekta što olakšava isho�enje dozvola i kratak rok izgradnje, te kratak rok izgradnje zbog modulne izvedbe. Me�utim, kogeneracija nije isplativa u svim uvjetima. Ona je isplativa za odgovaraju�u kombinaciju potrošnje elektri�ne i toplinske energije. Kako je višak elektri�ne energije u svakom trenutku mogu�e prodati elektroenergetskom sustavu do snage 5 MWe, onda je zapravo toplinsko optere�enje determiniraju�e za isplativost malih kogeneracijskih elektrana. Ako toplinsko optere�enje traje više od 3000-5000 sati godišnje za o�ekivati je isplativost kogeneracije. Najzanimljiviji objekti za primjenu kogeneracije su oni kod kojih se toplinska energija troši što stalnije i što duže tijekom dana, tjedna i godine. Isto tako zanimljivi su slu�ajevi gdje postoje otpadna goriva, kao što su razli�ite vrste bioplina (deponijski, muljni, destilacijski i sl.), te drvni otpad. Plinskoturbinska kogeneracija Plinskoturbinska kogeneracija zasniva se na plinskim turbinama otvorenog ciklusa, koje u sprezi s generatorom proizvode elektri�nu energiju. Na slici 3.9. prikazana je shema plinskoturbinske kogeneracije [44].
40
Slika 3.9. Shema plinskoturbinske kogeneracije Plinska turbina primjenjuje se kod koncipiranja malih kogeneracijskih elektrana naj�eš�e za ve�e snage, iznad 1 MWe. Plinske turbine odlikuju se: velikom u�inkovitoš�u, malo zaga�enje okoliša, velika pouzdanost, niska cijena izgradnje, potreban mali prostor, mogu�nost modulne izvedbe, kratko vrijeme do pune snage. U tablici 3.4. prikazane su zna�ajke plinskoturbinskih agregata za kogeneraciju. Tablica 3.4. Zna�ajke plinskoturbinskih agregata za kogeneraciju
Elektri�na snaga agregata [kWe]
Specifi�ni potrošak topline [kJ/kWhe]
Korisna toplinska snaga
[kWt] Gorivo
25-150 12000-10000 40-200 Loživo ulje 200-1000 10000-8000 250-1200 Loživo ulje, plin 1000-2500 9000-8500 1200-2600 Loživo ulje, plin 2500-5000 8500-7500 2600-5000 Loživo ulje, plin
Termomotorna kogeneracija Termomotorna kogeneracija zasnovana je na motorima s unutarnjim izgaranjem (otto i dizel), koji u sprezi s generatorima proizvode elektri�nu energiju, a korištenjem otpadne topline ispušnih plinova i rashladne vode proizvode i toplinu u obliku vrele vode i/ili pare. Na slici 3.10. prikazana je shema termomotorne kogeneracije. Termomotori se primjenjuju u širokom rasponu snaga od 10 kWe do nekoliko MWe. Temperaturna razina korisne topline za primjenu termomotora je do maksimalno 115°C, a najpovoljnije je oko 80°C. Pozitivne osobine kao na primjer: visoka u�inkovitost (do 50 %), velika pouzdanost, lako održavanje, mala težina i potrebni prostor, paketna izvedba, dobro ponašanje kod djelomi�nih optere�enja, te kratko vrijeme do pune snage, dovele su do brzog prodora termomotora u podru�je kogeneracije.
KI
Para (vrela voda) Potroša�i topline
GorivoIspuh
Zrak
KompresorPlinska turbina
Komoraizgaranja
GElektri�na energija
Ispušni kotao
41
Slika 3.10. Shema termomotorne kogeneracije
Termomotori za male kogeneracijske elektrane se pojavljuju u dvije osnovne izvedbe: plinski motori i dizel motori. Plinski motori naj�eš�e se primjenjuju za manje jedinice, a koriste sve vrste plinovitih goriva od prirodnog plina do raznih vrsta bioplina. U malim kogeneracijskim elektranama se primjenjuju dvije vrste plinskih motora: modificirani automotori i industrijski plinski motori. U tablici 3.5. i 3.6. su prikazane zna�ajke kogeneracijskih agregata na bazi modificiranih automotora i na bazi industrijskih plinskih motora [44]. Tablica 3.5. Zna�ajke kogeneracijskih agregata na bazi modificiranih automotora
Elektri�na snaga
agregata [kWe]
Specifi�ni potrošak topline [kJ/kWhe]
Korisna toplinska snaga [kWt]
Gorivo
15 12960 39 plin 38 12900 70 plin 75 12400 130 plin
145 12160 265 plin Tablica 3.6. Zna�ajke kogeneracijskih agregata na bazi industrijskih plinskih motora
Elektri�na snaga
agregata [kWe]
Specifi�ni potrošak topline [kJ/kWhe]
Korisna toplinska snaga [kWt]
Gorivo
25-150 13000-11000 50-250 plin 200-1000 12000-10000 350-1400 plin 1000-2500 10500-9500 1400-3500 plin 2500-5000 10000-9500 3500-7000 plin
Kogeneracijski moduli na bazi dizel motora izvode se u širokom rasponu elektri�nih snaga od 25 kWe do 5000 kWe. U podru�ju manjih snaga obi�no su paketne izvedbe. U tablici 3.7. prikazane su zna�ajke kogeneracijskih agregata na bazi dizel agregata.
Dimnjak
Gorivo
Potroša�
Elektri�na energija
Agregati Vršnikotao
Toplinskiakum.
42
Tablica 3.7. Zna�ajke kogeneracijskih agregata na bazi dizel agregata
Elektri�na snaga agregata [kWe]
Specifi�ni potrošak topline [kJ/kWhe]
Korisna toplinska snaga
[kWt] Gorivo
25-150 12000-10000 40-200 loživo ulje 200-1000 10000-8000 250-1200 loživo ulje, plin 1000-2500 9000-8500 1200-2600 loživo ulje, plin 2500-5000 8500-7500 2600-5000 loživo ulje, plin
Parnoturbinska kogeneracija Parnoturbinska kogeneracija zasniva se na protutla�nim ili kondenzacijsko-oduzimnim parnim turbinama, koje u sprezi s elektri�nim generatorom proizvode toplinsku i elektri�nu energiju. Za proizvodnju toplinske energije koristi se toplina od kondenzacije pare, koja bi se ina�e morala odvesti rashladnom vodom. Na slici 3.11. je prikazana parnoturbinska kogeneracija.
Slika 3.11. Shema parnoturbinske kogeneracije Parnoturbinska kogeneracija ima opravdanja za korištenje krutog goriva: ugljena, drvnih otpadaka i biomase, ali kao lokalnih izvora. Kotlovi za proizvodnju pare u sustavu parnoturbinskog postrojenja dijele se na: kotlove ložene ugljenom, drvnim otpatcima, ili biomasom u vrtložnom ložištu, ili s roštiljnim loženjem. U tablici 3.8. prikazane su zna�ajke parnoturbinskih postrojenja za kogeneraciju [44]. Tablica 3.8. Zna�ajke parnoturbinskih agregata za kogeneraciju
Elektri�na snaga agregata [kWe]
Specifi�ni potrošak topline [kJ/kWhe]
Korisna toplinska snaga
[kWt] Gorivo
do 1000 25000-20000 do 5000 biomasa, ugljen
1000-2500 21000-16000 5000-10000 biomasa, ugljen
2500-5000 17000-13000 10000-20000 biomasa, ugljen
Parnikotao
G
Elektri�naenergija
Parnaturbina
Napojna voda
Topla voda
Dodatna voda Kondenzat
Para
Para
Para
Gorivo
Zrak
Ispuh
Izmjenjiva� topline
43
3.3. Potencijali i proizvodnja biomase S obzirom da potencijali drvne biomase izravno ovise o sadnji, prikazat �e se neki potencijali proizvodnje bioplina, te biodizela u svijetu. 3.4.1. Energetski potencijali biomase u EU Tablica 3.9. Koli�ina energije koje je potencijalno mogu�e dobiti iz bioplina za 2020. godinu u zemljama EU-15.
Ukupna koli�ina
biomase, mil. tona
Ukupna energija iz bioplina, TWh/god
Ukupna energija iz bioplina, PJ
Austrija 36.1 6.1 22.0 Belgija 52.0 8.8 31.7 Danska 52.5 8.9 32.0 Finska 18.5 3.1 11.3 Francuska 251.9 42.7 153.7 Njema�ka 234.6 39.8 143.2 Gr�ka 11.4 1.9 7.0 Irska 70.5 11.9 43.0 Italija 112.0 19.0 68.3 Luksemburg 2.08 0.4 1.3 Nizozemska 80.8 13.7 49.3 Portugal 22.0 3.7 13.4 Španjolska 108.2 18.3 66.0 Švedska 26.3 4.4 16.0 U. Kraljevstvo 155.4 26.3 94.8 Ukupno EU-15 : 1 234.3 209,0 753.0
Slika 3.12. Svjetska proizvodnja bioplina od 1991. do 1998.
44
U posljednjih 15 godina proizvodnja je znatno sko�ila, s gotovo nula tona u 1991. na 580 000 tona u 1998. godini. Prošle se godine proizvelo oko 3,5 milijuna tona biodizela, od �ega gotovo 90% proizvodnje otpada na zemlje EU. Vode�i proizvo�a�i biodizela su Njema�ka, s više od 400 000 i Francuska sa 120 000 tona godišnje. Slijede Italija, �eška, Belgija, Austrija, i Švedska. U Njema�koj i Austriji trenuta�no radi više od tisu�u biodizelskih crpki, koje ekološko gorivo prodaju znatno jeftinije od fosilnog eurodizela. 3.4.2. Energetski potencijali biomase u Hrvatskoj Hrvatska ima veliki šumski potencijal s gotovo 45% teritorija prekriven je šumom-ukupni godišnji prirast je 9.6 milijuna m
3, s razvijenom drvnom industrijom te
zna�ajnim udjelom poljoprivrede i sto�arstva u ukupnom gospodarstvu, a to zna�i izvrsna osnova za proizvodnju energije iz biomase (posebice u Slavoniji, gdje je osobito izražen potencijal korištenja poljoprivredne biomase)! Sa slici 3.13. vidljivo je da kontinentalni dio ima puno ve�i biopotencijal od primorskog, jer je veliki dio našeg primorja vrlo škrto kamenito tlo. Trenutno se koristi oko 16 PJ energije iz biomase (podatak iz 1998. god., 354 PJ ukupna potrošnja energije - dakle samo oko 4.5 %) i to ve�inom na nedjelotvoran na�in - za grijanje ku�anstava.
Posljednjih godina došlo je do smanjenja korištenja biomase, jer se sve manje ku�anstava grije na drva, dok s druge strane biomasa nije zna�ajnije utjecala na proizvodnju elektri�ne energije. Uvo�enjem novih tehnologija i mehanizama
Slika 3.13. Potencijal bioenergije u Hrvatskoj po regijama
45
podrške o�ekuje se da �e tehni�ki potencijal biomase i otpada za period do 2030. godine porasti na razinu od 50 do 80 PJ (u Finskoj se ve� danas iz biomase pokriva preko 25% svih ukupnih potreba za energijom ). Prema Strategiji energetskog razvitka [28], do 2030. godine predvi�a se zna�ajno pove�anje sada gotovo zanemarive proizvodnje elektri�ne energije iz biomase u elektranama, industrijskim i mali ku�anskim kogeneracijama u Hrvatskoj, te se ovisno o scenariju o�ekuje od preko 500 do preko 4000 GWh elektri�ne energije, pri �emu se najve�i doprinos o�ekuje u izgradnji elektrana na biomasu. Mogu�nosti proizvodnje bioplina Prirodni uvjeti u isto�noj Hrvatskoj daju ovom podru�ju odre�ene komparativne prednosti koje se o�ituju u poljodjelstvu i šumarstvu. Proizvodni kapaciteti u primarnom dijelu poljoprivrede svrstavaju Osje�ko-baranjsku županiju u najkvalitetniji dio hrvatske žitnice. Na ovo se nadovezuje sto�arska proizvodnja koja je dominantna u govedarstvu, svinjogojstvu, te peradarstvu. Zna�ajna je proizvodnja mlijeka i jaja. Proizvodnja bioplina kod nas uop�e se ne koristi. Razlog tomu je, uz loše ekonomske uvjete i �injenica da je proizvodnja bioplina ekonomi�na samo za postrojenja koja prera�uju gnojivo od najmanje 80 do 100 UVG (uvjetno govedo je prera�unata jedinica od 500 kg težine životinja), što znatno smanjuje broj potencijalnih proizvo�a�a ili zahtjeva okrupnjavanje i udruživanje proizvodnje, jer je velika ve�ina poljoprivrednih gospodarstava premalo za isplativo iskorištavanje bioplina. Za manje posjede koji imaju ili mogu osigurati dobivanje gnojnice od 35 do 60 UVG predvi�ena je proizvodnja bioplina u kontejnerima, �ija isplativost nije upitna, no ona je suo�ena s problemom priklju�ivanja na elektri�nu mrežu HEP-a. Dosadašnji primjeri pokazuju da administrativna priprema toliko optere�uje projekt, da nema smisla tražiti spajanje s mrežom i prodaju struje. Za tako male pogone puno je zanimljivije zadovaljavanje vlastitih potreba za elektri�nom energijom i toplinom. Zbog neiskorištavanja biomase za proizvodnju bioplina možemo govoriti samo o potencijalnoj energiji koju bi mogli dobiti iz trenutno dostupnih sirovina. Razli�ite vrste u sto�arstvu daju razli�itu koli�inu sirovine ovisno o vrsti s razli�itom mogu�noš�u dobivanja bioplina po kilogramu sirovine. S obzirom na stanje sto�nog fonda u Osje�ko-baranjskoj županiji [21] ukupna dnevna neto energija bioplinskih postrojenja (oko 35 % bruto energije sirovine) procjenjuje se na oko 240 MWh. Kako proizvodnja na gospodarstvima koja ne mogu osigurati ni neku minimalnu koli�inu sirovine nije isplativa. Zbog malih gospodarstava, koli�ina energije koju je u idealnom slu�aju mogu�e proizvesti, nije dobar pokazatelj realnih mogu�nosti. Za dobivanje realnije slike o potencijalnim mogu�nostima proizvodnje bioplina pretpostavili smo da su sustavi za anaerobnu razgradnju isplativi samo za uzgajališta koja su ve�a od 10 ha. U Osje�ko-baranjskoj županiji uzgajališta ve�a od 10 ha iz sektora svinjogojstva broje 22,57%, iz sektora govedarstva 54,9 % i iz sektora peradarstva 9,4% ukupnog fonda županije. U slijede�oj tablici prikazana je potencijalna energija uz ove pretpostavke, te ona pokazuje realne potencijale koje je mogu�e iskoristiti na isplativ na�in [21]. Tablica 3.9. Potencijalna energija Osje�ko-baranjske županije na uzgajalištima > 10 ha
46
Govedarstvo
Svinjogojstvo Muzare Ostalo
Peradarstvo
Broj 58 093 4 715 9081 94 572
Ukupna energ. (MWh/dnevno)
38,9 38,43 44,1 5,7
Neto energija (MWh/dnevno) 25,5 24,9 28,5 2,8
Iako nema konkretnih podataka, u posljednje vrijeme, grade se postrojenja na bioplin u Dvoru na Uni, Farmi Vrana, Perutnini Ptuj – PIPO �akovec, Jakuševcu, Plivi (Savski Marof) koja su u razli�itim fazama realizacije. Neka planirana postrojenja: Ivankovo (VK) – 1000 kWe, 1200 muznih krava trenutno + dodatnih 1000 po izgradnji postrojenja, rok: 05.2008. Investitor: P.Z. Osatina, Izvo�a� E3 (slika 3.14.) Tomašanci (DJ) - 1000 kWe, 1000 muznih krava trenutno + 800 po izgradnji postrojenja, rok: jesen 2008. Investitor: P.Z. Osatina Varaždin – 2x1000 kWe, oko 1000 muznih krava trenutno, rok: 2009. Investitor: Vindija, d.d. �akovec – 1000kWe, oko 1000 muznih krava, rok: 2009. Investitor: Vindija, d.d.
Slika 3.14. Postrojenje na bioplin, farma Ivankovo, investitor P.Z. Osatina
47
Deponijski plin – regionalna farma Antunovac Iskorištavanje deponijskog plina ima potencijala na velikim deponijama poput regionalne deponije koja se planira graditi kod mjesta Antunovac pored Osijeka. Iako je plan izgradnje tek u predprojektnoj fazi mogu�e je izra�unati potencijal takvog odlagališta. Kao polazna vrijednost za prora�un služi podatak da po toni komunalnog sme�a nastaje u vremenu od 20 godina prosje�no 200Nm3 deponijskog plina. Za godišnju koli�inu od 50.000 tona (pretpostavljena koli�ina na Regionalnoj deponiji Antunovac) i vrijeme punjenja deponije od 20 godina na deponiji bi nastalo 200 miliona kubnih metara deponijskog plina. Ako bi se sistemom sakupljanja plina i kontrolom kvaliteta na raspolaganje plinskim motorima stavilo oko 50% te koli�ine, to bi zna�ilo da se za prora�un energetske bilance može ra�unati sa oko 100 miliona Nm3 deponijskog plina ili prosje�no godišnje 5 miliona Nm3 tj. 625 Nm3/h. Ova koli�ina plina sa Hu = 5kWh/Nm3 preko plinskih motora omogu�ava godišnju proizvodnju od 9 milijuna Kwh struje i 12 milijuna Kwh toplinske energije. Proizvedena koli�ina struje pokriva potrebe 2.500 obiteljskih ku�a. Sa ovom proizvodnjom elektri�ne energije, štedi se primjerice, u osje�koj TE-TO elektrani na zemni plin oko 2,5 miliona Nm3 zemnog plina. Na ovaj na�in se 300 Nm3/h metana manje predaje u atmosferu, što je važan ekološki aspekt primjene plinskih motora u o�uvanju ozonskog omota�a. Na osnovi elektri�ne i toplinske bilance i potrebnih ulaganja, ekonomska ra�unica pokazuje da se ulaganja brzo isplate, pa daljnji rad postrojenja ostvaruje dobit. Dakle, dolazimo do pravog cilja svakog ekološkog ure�aja, a to je da sam sebe izdržava, tj. sa boljim i kvalitetnijim vo�enjem tehnološkog procesa dobijemo više energije kojom pokrivamo investiciju i potrebe održavanja.
48
4. ENERGIJA VJETRA Sva obnovljiva energija dolazi od sunca. Sunce prema Zemlji zra�i 1015 kWh po �etvornome metru. Oko 1 do 2 posto energije koja dolazi od sunca pretvara se u energiju vjetra. To je primjerice od 50 do 100 puta više od energije pretvorene u biomasu od svih biljaka na Zemlji. Zbog zemljine rotacije, svaka kretnja na sjevernoj polutki je usmjerena prema desno. Ta pojava iskrivljena sile je poznata kao Coriolisova sila. Na sjevernoj polutki vjetar ima smjer rotacije obrnutu smjeru kazaljke na satu kako se približava podru�ju niskog tlaka. Na južnoj polutki vjetar ima smjer rotacije u smjeru kazaljke na satu oko podru�ja niskog tlaka. Vjetro-turbina dobiva ulaznu snagu pretvaranjem sile vjetra u okretnu silu koja djeluje na elise rotora. Koli�ina energije koju vjetar prenosi na rotor ovisi o površini kruga koji �ini rotor u vrtnji, brzini vjetra i gusto�i zraka. Pri normalnom atmosferskom tlaku pri temperaturi od 15°C zrak teži otprilike 1.225 kg/m3, ali se pove�anjem vlažnosti i gusto�a pove�ava. Tako�er vrijedi da je zrak guš�i kada je hladniji nego kad je topliji. Na visokim nadmorskim visinama tlak zraka je niži, pa je zrak rje�i. Vjetroturbina iskrivljuje putanju vjetra i prije nego što vjetar do�e do elisa rotora. To zna�i da se ne može iskoristiti sva energiju iz vjetra.
4.1. Snaga i energija vjetra i vjetroagregata
4.1.1. Maksimalna teorijska energija vjetra i vjetroagregata Energija vjetra je kineti�ka energija ovisna o kvadratu brzine vjetra:
2
21 mvW �
(4.1.) Maksimalna teorijska energija vjetra ra�una se nadalje kao:
(4.2.) Gdje je: � – gusto�a zraka (približno 1,25 kg/m3); A – površina rotora vjetroelektrane (volumen V = A·v) v – brzina vjetra Dakle, maksimalna teorijska energija vjetra ovisi o brzini vjetra na tre�u potenciju. Ukupna kineti�ka energija zraka ne može se sva iskoristiti, jer zrak mora dalje strujati da bi na�inio mjesta onome koji dolazi, pa je mogu�e iskoristiti samo energiju koja je proporcionalna razlici brzina vjetra na tre�u:
(4.3) Maksimalnu snaga koja se može dobiti pogonom pomo�u vjetroturbine iz konstrukcijskih razlogaiznosi 16/27 odnosno 0,59259 od teoretske maksimalne mogu�e snage vjetra.
3322 625,021
21
21 AvAvVvmvW ���� ��
321 )(625,0 vvAW ����
49
Uzmemo li u obzir i maksimalni stupanj djelovanja zra�ne turbine je 0.65, te stupanj djelovanja generatora 0.8, za maksimalnu energiju vjetroelektrane vrijedi:
(4.4) Teorijski dakle, iskoristi se samo 31% (0,193/0,625) kineti�ke energije vjetra za proizvodnju elektri�ne energije u vjetroelektranama. �esto se za prora�un energije umjesto površine uvrštava promjer (D) turbine:
(4.5) S obzirom na gornja razmatranja poznavanje brzine vjetra ima osnovnu važnost za ocjenu mogu�nosti iskorištavanja vjetra u energetske svrhe. Brzina vjetra je jako promjenjiva, pa je stoga potrebno mjeriti brzinu vjetra kako bi se mogle odrediti krivulje frekvencija (statistika vjetra). Brzina vjetra se pove�ava sa visinom iznad tla. Može se ra�unati da je omjer brzina razmjeran petom korijenu iz omjera visina nad zemljom. Na slici 4.1. prikazana je ovisnost maksimalne i teorijski iskoristive snagu vjetra, kao i one na osovini vjetroturbine i priklju�cima generatora u ovisnosti o brzini vjetra.
Slika 4.1. Ovisnost snage vjetra o brzini vjetra
3
3
193,0625,08,065,027/16
vAWvAW
���
������
332 10152,0 ����� vDW
50
4.1.2. Krivulja snage i ovisnost o brzini vjetra
Graf koji nam pokazuje koliko �e turbina proizvesti elektri�ne energije na razli�itim brzinama vjetra je krivulja snage. Vjetroturbine su dizajnirane tako da po�nu raditi pri brzini vjetra izme�u 3 do 5 metara po sekundi. Tu pojavu nazivamo brzina uklju�enja vjetra. Turbina se programira tako da prestane raditi pri velikoj brzini vjetra, pri otprilike 25m/s, da se turbina ili okolina turbine ne bi oštetila. Prestanak brzine vjetra nazivamo brzinom isklju�enja vjetra.
Slika 4.2. Ovisnost snage vjetrogeneratora o brzini vjetra
Problem krivulje snage je u tome što nam govori koliko snage �e proizvesti vjetroturbina pri prosje�noj brzini vjetra. Obujam energije vjetra se mjenja sa brzinom vjetra. Koeficijent snage govori koliko se energije vjetra pretvori u elektri�nu energiju. Efikasnost turbina je malo ve�a od 20%, ipak ona se mjenja sa brzinom vjetra. Za ukupnu koli�inu energije koju zra�na turbina pretvara u elektri�nu energiju brzina vjetra je vrlo bitna. Energija vjetra odgovara prosje�noj brzini vjetra na tre�u potenciju, što zna�i da ako je brzina vjetra dvostruko ve�a, dobiva se 8 puta više energije. Tablica 4.1. prikazuje iznose snaga po kvadratnom metru za razli�ite brzine vjetra Tablica 4.1. Ovisnost snage po jedini�noj površini vjetroagregata o brzini vjetra
v (m/s)
P (W/m2)
v (m/s)
P (W/m2)
v (m/s)
P (W/m2)
0 0 8 313,6 16 2508,8 1 0,6 9 446,5 17 3009,2 2 4,9 10 612,5 18 3572,1 3 16,5 11 815,2 19 4201,1 4 39,2 12 1058,4 20 4900,0 5 76,2 13 1345,7 21 5672,4 6 132,3 14 1680,7 22 6521,9 7 210,1 15 2067,2 23 7452,3
51
4.1.3. Ruža vjetrova, utjecaj terena i izbor lokacije Prikaz informacije o raspodjeli brzina i smjerova vjetrova, na osnovi meteoroloških promatranja brzina i smjerova naziva se ruža vjetrova, koja je na primjeru grada Acapulco u Meksiku prikazana na slici 4.3.
Slika 4.3. Ruža vjetrova za Acapulco (Meksiko)
Krug se podijelili na dvanaest odjeljaka, po jedan za svakih 30 stupnjeva (mogu�e i sa 8 ili 16 odjeljaka, ali 12 je kao standard postavio Europski atlas vjetrova. Ruža vjetrova daje nam informaciju o relativnoj brzini vjetrova iz razli�itih smjerova, tj. svaki od podataka (frekvencija, prosje�na brzina vjetra, prosje�ni kub brzine vjetra) je pomnožen brojem koji jam�i da se najve�a kriška to�no podudara sa radijusom vanjskog kruga u dijagramu. Na velikim visinama od oko 1 km, površina zemlje ne utje�e previše na vjetar, dok u nižim slojevima atmosfere trenje o površinu zemlje jako utje�e na brzinu vjetra. Za ve�a nepravilnosti terena, vjetar je više usporen. Primjerice šume i veliki gradovi, logi�no �e više usporiti vjetar, dok �e velike betonske površine na aerodromima tek neznatno utjecati na brzinu vjetra. Vodene površine su još više ugla�enije od betonskih imaju još manji utjecaj, dok visoka trava i grmlje imaju znatan utjecaj na brzinu vjetra. Dobra lokacija za zra�ne turbine je duž obale. Pretpostavka da bi se postigao bolji efekt postavljanjem turbina na sam rub litice nije to�na, jer litica stvara turbulenciju i usporava vjetar �ak i prije nego što dolazi do same litice, te znatno smanjuje životni vijek turbine zbog ja�eg trošenja uslijed turbulencije. Puno povoljnije bilo bi kada bi litica bila zaobljena prema moru, jer bi u tom slu�aju došlo do efekta ubrzanja vjetra.
Zbog stalnog variranja brzine vjetra, koli�ina energije stalno se mijenja. Promjena ovisi o vremenskim prilikama, o uvjetima na tlu i preprekama. Izlazna energija vjetroturbine ovisi o variranju vjetra, iako su najve�e varijacije do neke mjere kompenzirane zbog tromosti rotora turbine. Na ve�ini mjesta na svijetu danju je vjetrovitije nego no�u. Vjetar je mnogo turbulentniji danju �eš�e mijenja smjer. Ve�a proizvodnja danju je prednost jer je i
52
Dobro mjesto
Loše mjesto
Prepreke - loše
Mjesto postavljanja vjetroturbine promjera (D) mora biti daleko od prepreka najmanje 10x visina prepreke (H) ili je potrebno postavljanje visokih stupova.
Efekt tunela na zaobljenim brdima
Turbulencija
Turbulencija na vrhu i dnu oštrih litica
Turbulencija
H
potrošnja daju ve�a. Snažne oluje �esto su popra�ene �estim udarima vjetra koji naglo mijenjaju smjer i brzinu vjetra.
U podru�jima sa nejednakim izgledom terena, i iza prepreka poput zgrada, dolazi do turbulencije sa vrlo nepravilnim tokovima vjetra i vrtlozima. Turbulencija smanjuje mogu�nost iskorištavanja energije vjetra, te uzrokuje ve�e trošenje turbina. Površine mora i jezera su glatke pri konstantnoj brzini vjetra, nepravilnost površine je vrlo mala. Pove�anjem brzine vjetra dio energije vjetra se iskorištava na podizanje valova što �ini površinu nepravilnom. Pošto je nepravilnost na morskoj površini vrlo mala, brzina vjetra se previše ne mijenja pa visina osovine turbine ne mora biti visoka kao na kopnu.
Najekonomi�nija visina osovine turbine smještene na površini mora je 0,75 puta promjer rotora. Tornjevi turbina obi�no se prave dovoljno visoki da bi izbjegli turbulencije od vjetra blizu tla. Vjetar na moru je manje turbulentan nego na kopnu, zato turbine na moru imaju ve�i životni vijek od onih na kopnu.
Svaka vjetroturbina usporava vjetar iza sebe nakon što iz njega izvu�e energiju i pretvori je u elektri�nu. Iz tog razloga bi turbine trebalo smjestiti što je mogu�e dalje jednu od druge. Iskoristivost zemljišta i cijena spajanja turbina na elektri�nu mrežu, traže da ih smjestimo što bliže jednu drugoj. Vjetroturbine su udaljene izme�u 5 do 9 dužina promjera rotora u smjeru dolaska vjetra i izme�u 3 do 5 dužina promjera rotora u smjeru okomitom na smjer vjetra. Gubitak energije zbog zavjetrine koje stvaraju jedna drugoj iznosi negdje oko 5 posto. Na vjetrovitoj strani zgrada ili planina, zrak se kompresira i njegova se brzina izme�u prepreka znatno pove�ava. Ta je pojava znana kao „efekt tunela“. Tunel bi trebao biti što pravilniji.
Slika 4.4. Postavljanje vjetroturbina s obzirom na tok vjetra
53
U slu�aju da su brda vrlo neravna i nejednaka, dolazi do velikih turbulencija, tj. smjer i brzina vjetra bi se naglo mijenjali. Velike turbulencije u potpunosti poništavaju sve prednosti ve�e brzine, a promjenjivi vjetar bi uzrokuje nepotrebno trošenje i kidanje turbine Uobi�ajena mjesta za postavljanje vjetroturbina su uzvišenja, brda ili planine (slika 4.4). Prednost je imati što je mogu�e širi pogled prema nadolaze�em smjeru vjetra u nekom podru�ju. Razlog je ponovo tla�enje zraka na vjetrovitoj strani brda i nakon što vjetar dosegne vrh, opet mu je omogu�eno širenje kako se spušta u podru�je nižeg tlaka na drugoj strani brda. Ako je brdo strmo ili ima nepravilnu površinu, dolazi do znatnih turbulencija koje poništavaju prednosti ve�e brzine vjetra. Meteorološki podaci, prora�unati za posljednjih 30 godina najbolji su vodi� pri izboru lokacije za vjetroturbinu, ali potrebno je biti oprezan zbog toga što ti podaci nisu prikupljeni baš na toj to�noj lokaciji. Ako u podru�ju ve� postoje turbine, njihovi rezultati proizvodnje daju najbolji uvid u osobine vjetra. Velike turbine se spajaju na elektri�nu mrežu. Kod manjih projekata pazi se da vjetroturbine postavimo dovoljno blizu srednjenaponskih 10 do 35 kV dalekovoda da troškovi proširenja elektri�ne mreže ne budu previsoki. Generatori u velikim modernim zra�nim turbinama naj�eš�e proizvode struju pri naponu od 690 V. Transformator smješten uz turbinu ili u samom tornju turbine pretvara energiju na viši naponski nivo (obi�no 10-35 kV). Ako je više turbina ve� spojeno na mrežu, trebalo bi pove�ati presjek kabela. Projektanti vjetro-elektrana moraju poznavati informaciju promjene brzine vjetra, time smanjuju troškove izgradnje i sama elektrana ima ve�u korisnost. Razdioba brzine vjetra na tipi�nom položaju dobija se mjerenjem, a matemati�ki opisuje Weibullovom razdiobom, kao što je i prikazano na slici 4.5. za makrolokaciju Kistanje.
Slika 4.5. Razdioba brzine vjetra (stupci) i pripradaju�a Weibullova razdioba (krivulja) – makrolokacija Kistanje
Poznavaju�i o�ekivane razdiobe brzine vjetra (slika 4.5.) i krivulju ovisnosti snage predložene vjetroturbine (slika 4.2.), mogu�e je odrediti i o�ekivanu godišnju proizvodnju elektri�ne energije na promatranoj makrolokaciji jednostavnim umnoškom dvije krivulje i 8760 h/god.
54
4.2. Podjela i dijelovi vjetroelektrana 4.2.1. Podjela vjetroelektrana Op�enito postoje dva tipa vjetroelektrana (slika 4.6.): s okomitim i s vodoravnim rotorom.
Slika 4.6. Dva tipa vjetroagregata a) s okomitim rotorom b) s vodoravnim rototom
Vjetroelektrane s okomitim rotorom se rje�e koriste. Ve�ina vjetroturbina sa vodoravnom osovinom koriste mehanizam koji pomo�u elektromotora i prijenosa drži turbinu zakrenutu prema smjeru dolaska vjetra. Tornjevi za velike turbine mogu biti okrugli �eli�ni, rešetkasti, ili betonski. Uski okrugli tornjevi se koriste za male zra�ne turbine. Velike zra�ne turbine se izvode sa okruglim �eli�nim tornjevima, koji se proizvode u dijelovima od 20 – 30 metara koji se spajaju na mjestu postavljanja turbine. Promjer tornja se pove�ava prema temelju, da bi pove�ali �vrsto�u i uštedili na materijalu. Rešetkasti tornjevi se izvode varenjem �eli�nih profila. Osnovna prednost ovih tornjeva je u cijeni, pošto se koristi upola manje materijala a postiže se ista �vrsto�a. S obzirom na mjesto postavljanja vjetroelektrane se dijele na one koje se postavljaju na kopnu i one na morskoj pu�ini. S obzirom na snagu uobi�ajena je podjela na male (1 do 30 kW), srednje i velike (30 do 1500 kW), te one ne pu�ini (>1500 kW) Male se koriste obi�no na dalekim izoliranim mjestima, pri �emu postoji velika raznolikost rješenje. Vjetroelektrane srednje i velike snage obi�no rade na mreži, kao samostalne ili u grupi (vjetroparkovi). One instalirane snage ve�e od 650 kW danas su su komercijalne i proizvode se u velikim serijama. Vjetroelektrane na pu�ini mogu imati instaliranu snagu i do nekoliko stotina MW, trenutno su u razvoju, a glavna zapreka je velika cijena postolja.
55
Na slici 4.7. prikazani su primjeri nekih tipi�nih prototipova i komercijalnih vjetroagregata koji su danas u uporabi.
Bonus 2 MW, promjer rotora je 72 metra.
Vestas 1650 kW , promjer rotora od 63 metra.
Nordex 2,5 MW ,
promjer rotora turbine je 80 metara.
HSW 1000kW
Lagerway 750 kW
NEG Micon 2 MW, promjer rotora te turbine je 72 metra.
56
Lopatice Stup
Motor
Zakretanje
Ko�nica
Rotor
Sporo-okretna osovina
Brzo-okretna osovina
Generator
UpravljanjeAnemometar
Smjer vjetra
Ku�ište
Pokaziva� smjer a vjetra
Prijenosnik
Zakretanje lopatica
Slika 4.7. Primjeri vjetroagregata 4.2.2. Osnovni dijelovi vjetroelektrane Na slici 4.8. prikazani su osnovni osnovni dijelovi vjetroagregata.
Slika 4.8. Osnovni dijelovi vjetroagregata Lopatice (eng. blades) Ve�ina vjetroturbina ima sustav s dvije ili tri lopatice. S obzirom na izvedbu možemo razlikovati lopatice sa zakretnim vrhovima (kao aerodinami�nim ko�nicama) ili s krilcima. Obje izvedbe su ujedno sekundarni ko�ni sustavi, koji u slu�aju otkaza primarnog ko�nog sustava (mehani�ka ko�nica) stvaraju moment ko�enja (zakretanjem vrha lopatice ili pomi�nom ravnom površinom (eng. spoiler) ), te na taj na�in ograni�avaju brzinu vrtnje. Rotor Sastavni dijelovi rotora vjetroturbine su glava (eng. hub) i lopatice. Ovisno o tome kako reguliramo snagu, rotor može biti izveden:
57
� tako da se regulaciju kuta tijekom rada vrši zakretanjem lopatice, na na�in da se profil namješta u optimalni položaj. Ovakva regulacija je složena i rotori ovakve izvedbe su skuplji, ali nužno primjenjivi za lopatice duže od 25-30 m. Tako�er postoji poseban motor za zakretanje, koji mijenjaju�i kut lopatice mijenja napadni kut struje zraka.
� tako da se regulacija snage vjetroturbine vrši korištenjem aerodinami�nog efekta poreme�enog trokuta brzina. Dakle, s promjenom brzine vjetra mijenja se na aeroprofilu kut struje zraka, odnosno dolazi do poreme�aja trokuta brzina te do porasta ili gubitaka uzgona, pri �emu lopatice nemaju mogu�nost zakretanja. Me�utim, kako je vjetroturbina projektirana za neko podru�je brzina, lopatice imaju unaprijed namješten kut za doti�no podru�je brzinaradi ve�e efikasnosti.
Ko�nica (eng. brake) Kada generator ispadne iz mreže, odnosno brzina naleta vjetra prije�e maksimalnu vrijednost (isklju�nu vrijednost, npr. 25 m/s) dolazi do izrazitog dinami�kog optere�enja mora postojati ko�ni sustav kako bi rasteretio prijenosnik snage, odnosno zaustavio rotor. Osim toga, bitno je re�i da je tako�er zadatak ovog sustava održati projektnu brzinu vrtnje konstantnom, odnosno osigurati sustav �ije je djelovanje dinami�ki uravnoteženo. Disk ko�nica je naj�eš�a izvedba ko�nog sustava (kojom se na suvremenim strojevima upravlja mikroprocesorski), a smještena je na sporookretnoj osovini prije prijenosnika ili na brzookretnoj osovini generatora. Prijenosnik snage (eng. gear box) Prijenosnik vjetroturbine spaja sporookretnu s brzookretnom osovinom i pove�ava brzinu vrtnje s oko 30 – 60 o/min na oko 1200 – 1500 o/min tj. na brzinu vrtnje, za ve�inu generatora, nužnu za stvaranje elektri�ne energije. Prijenosnik je u ve�ini slu�ajeva multiplikator i može biti razli�itih izvedbi. Hla�enje prijenosnika se naj�eš�e vrši zrakom, a podmazivanje sinteti�kim uljem. Prilikom analiziranja na�ina na koji se vrtnja prenosi s vjetroturbinskog dijela na elektri�ni generator, naro�itu važnost zauzimaju materijali izrade elemenata sklopa, vrsta prijenosa i prijenosni omjer. Prijenosnik je skup i težak dio vjetroturbine pa zbog toga inženjeri istražuju mogu�nost izravnog pogona generatora bez prijenosnika. Generator Turbinski dio vjetroelektrane s rotorom, ko�nicama i prijenosnikom snage predstavlja važan dio cjelokupnog sustava, �ija je osnovna funkcija pogon generatora. Za pravilno i sigurno funkcioniranje �itavog vjetroturbinsko - generatorskog sustava, generator mora ispunjavati zahtjeve kao što su: visok stupanj iskoristivosti u širokom krugu optere�enja i brzine okretanja, izdržljivost rotora na pove�anim brojevima okretaja u slu�aju otkazivanja svih zaštitnih sustava, izdržljivost, odnosno postojanost konstrukcija na visokim dinami�kim optere�enjima prilikom kratkih spojeva, te pri uklju�ivanju i isklju�ivanju generatora. Uzimaju�i u obzir uvjete pove�ane vlažnosti, slanosti, zatim otpornost na krute �estice, povišenu temperaturu i sli�ne uvjete, pred generatore se tako�er postavlja zahtjev
58
pouzdanosti sa što je mogu�e manje održavanja. Razni su kriteriji prema kojima se može izvršiti podjela generatora. Tako npr. prema na�inu rada generatori se mogu podijeliti na one: za paralelni rad s postoje�om distributivnom mrežom, za samostalni rad, za spregnuti rad s drugim izvorima. Prema vrsti struje mogu biti: istosmjerni ili izmjeni�ni. Istosmjerni se zbog problema s pouzdanosti rijetko primjenjuju. Prema na�inu okretanja postoje generatori: s promjenjivom ili s nepromjenjivom brzinom okretanja uz zadržavanje iste frekvencije. Tako�er postoji podjela prema veli�ini tj. snazi. Upravlja�ki i nadzorni sustav (eng. controller) Kao što samo ime kaže, ovaj mikroprocesorki upravljan sustav je u osnovi zadužen za cjelokupno upravljanje i nadziranje rada vjetroturbinsko-generatorskog sustava. Ako ovakav sustav nije u cijelosti smješten na vjetroturbinskoj jedinici (kao što može biti slu�aj), ve� je jednim dijelom na nekom udaljenijem mjestu onda sustav zahtjeva i posebnu telekomunikacijsku opremu. Oprema za zakretanje (eng. yaw gear) Služi za zakretanje turbinsko-generatorskog sustava. Nalazi se ispod ku�išta vjetroturbine, na vrhu stupa. Preko pužnog prijenosa (omjera reda veli�ine 1:1000) s velikim zup�astim prstenom, u�vrš�enim na stupu, izravnava se os osovine rotora s pravcem vjetra. Zakretanje zapravo vrši motor. On na sebi ima ugra�enu ko�nicu koja onemogu�uje zakretanje ku�išta zbog naleta vjetra. Zakretanje ku�išta regulira sustav koji je izvan funkcije kad su poreme�aji smjera vjetra manji (u prosjeku - jednom u deset minuta dogodi se zakretanje ku�išta). Gondola (eng. nacelle) Ku�ište s jedne strane štiti generatorski sustav sa svim komponentama od okolišnih utjecaja, a s druge štiti okoliš od buke doti�nog sustava. Stup (eng. tower) Može biti izveden kao cjevasti, konusni, teleskopski, rešetkasti, u�vrš�eni ili povezani. Danas se naj�eš�e koristi cjevasta konstrukcija, a prednost joj se nalazi u tome što ju osim visoke �vrsto�e karakterizira i ve�a otpornost na vibracije. Prednost rešetkaste konstrukcije nalazi se u jednostavnosti, a budu�i da ju je mogu�e rastaviti na manje dijelove prikladnija je za transport i montažu.
59
4.3. Princip rada vjetroelektrane u EES i izbor generatora 4.3.1. Op�enita shema djelovanja vjetroelektrane Pojam vjetroelektrana podrazumijeva sustav za transformaciju energije gibaju�e zra�ne mase odnosno vjetra u elektri�nu energiju posredstvom vjetroturbine i elektri�nog generatora. Na slici 4.9. prikazan je osnovni princip rada vjetroagregata.
Slika 4.9. Osnovni princip rada vjetroagregata Budu�i da vjetar predstavlja izrazito promjenjivi energetski resurs koji se ne može uskladištiti, potrebno je utvrditi uvjete pogona sustava za pretvorbu energije vjetra u elektri�nu energiju. Op�enita shema djelovanja vjetroelektrane prikazana na slici 4.10. obuhva�a elemente koji se projektiraju obzirom na tri oblika energije: energiju vjetra, mehani�ku energiju te elektri�nu energiju. Vjetroturbina koja može imati jednu ili više elisa, služi za transformaciju energije vjetra u mehani�ku energiju. Ako se u obzir uzmu razina buke i vizualni efekt, izvedba s tri elise predstavlja naj�eš�e rješenje. Pored toga, dinamikom rotora s tri kraka je najlakše upravljati. Inercijski moment trokrakog rotora prema tornju ne mijenja se tijekom okretanja. To rezultira manjim problemima uslijed oscilacija nego kod jednokrakih i dvokrakih rotora. Uz to je i opti�ki mirniji zbog okretanja na manjoj brzini. Oko 90% vjetroturbina koje se trenutno koriste u svijetu imaju trokraki rotor. Spoj izme�u vjetroturbine i elektri�nog generatora ostvaren je pomo�u mehani�ke spojke koja uobi�ajeno u sebi uklju�uje mjenja�ku kutiju s prijenosnikom pomo�u kojeg se niža brzina vrtnje rotora vjetroturbine prilago�ava višoj brzini vrtnje rotora generatora. Da bi se kineti�ka energija rotora uz pomo� generatora pretvorila u elektri�nu, bila bi potrebna brzina rotora od 1 500 okretaja u minuti
Dotok vjetra Dotok vjetra
pokre�e rotor (A) i lopatice (B)
Rotor i lopatice okre�uosovinu (C) i prijenos
(D) koji okre�e generator (G)
60
(rpm). Budu�i da se rotor okre�e brzinom od 30-50 rpm, potrebna je upotreba prijenosnika. S prijenosnikom se pretvara spora rotiraju�a sila (visokog okretnog momenta) u brzu rotaciju (niskog okretnog momenta) koja je potrebna za rad generatora. Postotak iskoristivosti energije je 98%, a gubitak energije koji nastaje uslijed trenja zup�anika prijenosnika manifestira se u obliku topline i buke.
Slika 4.10. Op�enita shema djelovanja vjetroelektrane [14] Neke vjetroturbine u svojoj opremi sadrže i sustav za upravljanje kutom zakreta elisa pomo�u kojeg se može vršiti regulacija izlazne snage. Vjetroelektrana u izvedbi s promjenjivom brzinom vrtnje priklju�uje se na mrežu pomo�u su�elja zasnovanog na energetskoj elektronici. Jedinica za kompenzaciju jalove snage može u sebi uklju�ivati ure�aj za korekciju faktora snage te filtre za više harmoni�ke �lanove. Rasklopna oprema treba biti projektirana na na�in koji omogu�ava glatko priklju�enje na mrežu. Kona�no, upravlja�ki sustav vjetroelektrane može biti izveden s razli�itim stupnjevima složenosti. 4.3.2. Izbor generatora u vjetroelektrani
Proizvodne jedinice u vjetroelektranama su uobi�ajeno sinkroni ili asinkroni generatori. Obzirom na vrstu priklju�enja na mrežu �esta je podjela vjetroelektrana prema slijede�im osobinama agregata: 1. Vjetroelektrana u izvedbi sa stalnom brzinom vrtnje koja se izravno
priklju�uje na mrežu
Mjenja�kakutija
Elektroni�kosu�elje
Rasklopna oprema
Zaštita
Mreža
Generator
Kompenzator
Upravlja�ki sustav vjetroelektrane Mjerenje
brzine vjetra
Energija vjetra
Mehani�kaenergija
Elektri�naenergija
61
Asinkroni generator Asinkroni generatori se naj�eš�e koriste kada je vjetroelektrana priklju�ena na krutu mrežu. Krutu mrežu karakterizira velika naponska i frekvencijska krutost. Osnovna prednost im je jednostavnija i jeftinija konstrukcija, iako s druge strane moraju imati kompenzacijski ure�aj (uglavnom uklopive kondenzatorske baterije) i priklju�ni ure�aj kako bi se omogu�ila po�etna sinkronizacija s mrežom (eng. soft-starter). Sinkroni generator Sinkroni generatori se naj�eš�e primjenjuju za pretpostavljene uvjete oto�nog pogona. Ovdje su potrebni uzbudni sustav i regulator brzine koji �e održavati napon i frekvenciju. Ovakvi generatori ne mogu se prona�i u komercijalnim izvedbama sa stalnom brzinom u pogonu na krutu mrežu. Kod vjetroturbina nazivnih snaga ve�ih od 500 kW naro�ito je izražena potreba za uklju�ivanjem sustava za regulaciju kuta zakretanja elise propelera, što ina�e nije slu�aj, pa tako da se spomenuti sustav ne izvodi u svim jedinicama.
Rotori s konstantnom brzinom vrtnje vrlo su prikladni za primjenu u vjetroelektranama za potrebe elektroenergetskog sustava (mreže) jer se time omogu�ava primjena jednostavnih generatora �ija je brzina vrtnje polova odre�ena frekvencijom mreže.
2. Vjetroelektrana u izvedbi s promjenjivom brzinom vrtnje
- Sinkroni generator s pretvara�em u glavnom strujnom krugu - Asinkroni generator s pretvara�em u glavnom strujnom krugu - Asinkroni generator s upravljivim promjenjivim klizanjem - Asinkroni generator s nadsinkronom ili podsinkronom pretvara�kom kaskadom Rotori s promjenjivom brzinom vrtnje naj�eš�e se koriste za pogon crpki za vodu i vjetroelektrana za potrebe punjenja baterija, dok se za primjenu u VE koje se spajaju na elektri�nu mrežu zahtijevaju pretvornici frekvencije.
Vjetroelektrane sa stalnom brzinom vrtnje i konstantnom frekvencijom koriste mehani�ko-hidrauli�ki sustav regulacije brzine vrtnje pomo�u kojeg upravljaju elisama turbine. U njima generator može biti sinkroni ili asinkroni. Asinkroni generator je dodatno opremljen lokalnim izvorom jalove snage u svrhu podržavanja samouzbude i održavanja napona na priklju�nicama. U izvedbi vjetroelektrane sa stalnom brzinom vrtnje i konstantnom frekvencijom, sinkroni generator ima ve�i faktor efikasnosti i pouzdanosti, ali teže zadržava sinkronizam u uvjetima poreme�aja brzine vrtnje nastalih zbog brzih poreme�aja vjetra i/ili poreme�aja u mreži poput kratkog spoja. Sposobnost proizvodnje jalove snage dodatna je prednost sinkronog generatora ako se vjetroelektrana priklju�uje na naponski slabu mrežu. U slu�aju priklju�enja na ve� izgra�enu mrežu dobre infrastrukture, asinkroni generator je u prednosti jer je znatno jeftiniji i robusniji, a ima i jednostavniji sustav upravljanja. Osim toga, uvjeti održivosti sinkronizma znatno su fleksibilniji u usporedbi sa sinkronim generatorom.
62
Izvedba vjetroelektrane sa stalnom brzinom vrtnje i konstantnom frekvencijom ima optimalan pogon samo za jedan omjer izme�u brzine vrha elise i brzine vjetra. To zna�i da se samo pri jednom omjeru postiže maksimalna djelatna snaga generatora. U slu�aju da omjer odstupa od optimalnog, djelatna snaga generatora biti �e manja od maksimalne.
ASINKRONI GENERATORI SINKRONI GENERATORI Izravno priklju�enje na mrežu
pfsn �
�1
08,00��s
potroša� induktivne jalove snage
Izravno priklju�enje na mrežu
pfn �
upravljiva izlazna jalova snaga Mrežni priklju�ak putem DC veze
pfs 2,18,0 ��
upravljiva izlazna jalova snaga uz odgovaraju�i pretvara�
Mrežni priklju�ak putem DC veze
pfs 2,15,0 ��
upravljiva izlazna jalova snaga uz odgovaraju�i pretvara�
Dinami�ki upravljivo klizanje
pfsn �
�1
3,01,00 ���s
potroša� induktivne jalove snage
Mrežni priklju�ak putem DC veze, bez mjenja�ke kutije
pfs 2,15,0 ��
upravljiva izlazna jalova snaga uz odgovaraju�i pretvara�
Asinkroni generator s dvostranim napajanjem
Sinkroni generator s permanentnim magnetima priklju�en putem DC veze
pfs 2,16,0 ��
upravljiva izlazna jalova snaga uz odgovaraju�i pretvara�
Slika 4.11. Na�ini priklju�enja vjetroelektrane na mrežu [14]
DC
SG DC
Mjenja�kakutija SG DC
Mjenja�kakutija SG
Mjenja�kakutija AG
DC
Mjenja�kakutija AG
Mjenja�kakutija AG DC
Mjenja�kakutija AG
63
�est slu�aj je izvedba vjetroelektrane s promjenjivom brzinom vrtnje i konstantnom frekvencijom. Takve vjetroelektrane imaju generator s promjenjivom brzinom vrtnje i vjetroturbinu koja rotira razli�itim brzinama vrtnje ovisno o promjenjivosti brzine vjetra. Ostvariv je optimalan pogon za svaki omjer izme�u brzine vrha elise i brzine vjetra, odnosno za svaku brzinu vjetra. Me�utim, tada su na elektri�noj strani vjetroelektrane pove�ani po�etni investicijski troškovi zbog složenije izvedbe priklju�enja na mrežu. U slu�aju primjene sinkronog generatora izvedba uklju�uje stati�ki pretvara� frekvencije zasnovan na energetskoj elektronici. U slu�aju primjene asinkronog generatora izvedba uklju�uje diodni ispravlja� u mosnom spoju za regulaciju djelatnog otpora rotora i promjenu brzina/moment karakteristike asinkronog stroja. Istodobno se na mehani�ko-hidrauli�koj strani troškovi smanjuju jer se regulacije brzine vrtnje agregata više ne izvodi na turbini �ime ona postaje jeftinija. Osim cijene generatora pove�ava se i bojazan od pojave pove�anja ukupne harmoni�ke distorzije zbog primjene stati�kih pretvara�a. Iako je najskuplji dio vjetroelektrane njezina turbina, veli�ina i cijena generatora uz uklju�enu efikasnost i u�inkovitost regulacijskog sustava neosporno �ine zna�ajan investicijski trošak. Neophodna je pažljiva financijska analiza kojom bi se odredila opravdanost uvo�enja pogona s promjenjivom brzinom vrtnje. Prema nekim statistikama pogon s promjenjivom brzinom vrtnje na godinu postiže i do preko 1/3 ve�i iznos predane elektri�ne energije od pogona sa stalnom brzinom vrtnje. Ako je cijena isporu�ene energije dovoljno visokog iznosa, mogu�e je posti�i ekonomsku isplativost i uz ve�e po�etne investicijske troškove pogona s promjenjivom brzinom vrtnje.
Kombinirana primjena generatora s promjenjivom brzinom vrtnje i stati�kog pretvara�a frekvencije pomaže u izbjegavanju problema vezanih uz stabilnost kuta i regulaciju frekvencije, odnosno elektromehani�ka njihanja op�enito. Iznenadne promjene brzine vjetra više ne uzrokuju promjene injektirane snage vjetroelektrane. Razlika snage na rotiraju�oj osovini pohranjuje se unutar kombinirane inercije agregata u obliku kineti�ke energije. Drugim rije�ima, agregat se ubrzava/usporava kako vjetar ubrzava/usporava. Me�utim, u slu�aju priklju�enja vjetroelektrane kao izvora konstantne djelatne snage na naponski slabu mrežu, mogu�i su problemi stabilnosti napona.
Prema dostupnim informacijama, investitori se uglavnom odlu�uju za inicijalno jeftiniju varijantu, dakle za vjetroelektrane u izvedbi sa stalnom brzinom vrtnje i konstantnom frekvencijom uz korištenje asinkronog generatora u pogonu na krutu mrežu.
64
4.4. Kriteriji priklju�enja vjetroelektrane na mrežu Priklju�enje vjetroelektrana na elektroenergetsku mrežu je zna�ajan problem obzirom na to da vjetroelektrane mogu bitno utjecati na stabilnost sustava i kvalitetu elektri�ne energije u mreži. Kriteriji priklju�enja se definiraju u obliku Mrežnih pravila za vjetroelektrane (eng. wind grid codes). Iako se Mrežna pravila ne izra�uju na na�in da isklju�e ili diskriminiraju odre�enu vrstu generatora, njihove su odredbe obi�no definirane imaju�i u vidu konvencionalne termoelektrane i hidroelektrane. Vjetroturbinski generatori se znatno razlikuju od sinkronih generatora zbog �ega se uobi�ajeno izra�uju dvije vrste Mrežnih pravila za vjetroelektrane; jedna se vrsta odnosi na njihovo priklju�enje na prijenosni sustav (nazivni napon � 110 kV), a druga na distribucijski sustav (nazivni napon � 35 kV).
Slika 4.12. Spajanje vjetroelektrana na elektroenergetske sustave Postoji mnogo tehni�kih kriterija priklju�enja vjetroelektrana na mrežu koji se uzimaju u obzir zbog što kvalitetnije integracije vjetroelektrana u elektroenergetski sustav, kao što su: Iznos frekvencije, Iznos napona, Stanje u uvjetima kvara, Kvaliteta isporu�ene elektri�ne energije i Zahtjevi obzirom na signale, komunikacije i upravljanje.
65
Ovih pet glavnih kriterija se smatra klju�nim podru�jima za ispravan pogon i vo�enje vjetroelektrana u pripadaju�em elektroenergetskom sustavu. 4.4.1. Iznos frekvencije Glavni elementi iz podru�ja frekvencija/djelatna snaga koji se postavljaju obzirom na priklju�enje vjetroelektrana u sustav su: Raspon iznosa frekvencije tijekom normalnih i poreme�enih uvjeta pogona Karakteristike vjetroelektrane u cijelom rasponu frekvencije sustava Sudjelovanje vjetroelektrane u P-f regulaciji Brzina promjene snage proizvodnje vjetroelektrane Osiguravanje rezervne snage od strane vjetroelektrane U tablici 4.2. predo�ena je usporedba vrijednosti raspona frekvencije unutar kojeg su propisani uvjeti o�ekivanog pogona vjetroelektrana u onim europskim zemljama u kojima postoje Mrežna pravila za vjetroelektrane. Tablica 4.2. Zahtjevi nekih operatera s obzirom na raspon frekvencije
Zemlja Njema�ka Danska Engleska Wales Škotska Nizozemska Irska
Ra
spon
fre
kve
nci
je
47.5-51.5 Hz trajno
od
01/01/2002
47.0-47.5 Hz tijekom 10 s
47.5-48.0 Hz tijekom 5 min
48.0-49.0 Hz
tijekom 25 min
49.0-50.3 Hz
trajno
50.3-51.0 Hz tijekom 1 min
iznad 53.0 Hz
isklju�enje
47.0-47.5 Hz tijekom 20 s
47.5-52.0 Hz Trajno
47.0-47.5 Hz tijekom 20 s
47.5-50.4 Hz
trajno
50.4-52.0 Hz snaga se
smanjuje uz min brzinu od 2% od izlazne snage VE po
0.1 Hz odstupanja frekvencije
sustava iznad 50.4 Hz.
48.0-51.0 Hz trajno
47.0-47.5 Hz tijekom 20 s
47.5-52.0 Hz
tijekom 60 min
49.5-50.5 Hz
trajno
snaga se mora o�uvati tijekom brzine
promjene frekvencije sustava od 0.5 Hz/s
4.4.2. Iznos napona
Osnovni zahtjevi vezani za napon u sustavu na koji se priklju�uje
vjetroelektrana odnose se na raspone iznosa napona, promjene napona, automatsku regulaciju napona i sposobnost proizvodnje jalove energije. Operator sustava izra�uje preporuke za vjetroelektrane obzirom na svaki od prethodno navedenih aspekata. Pored toga postavlja i zahtjeve na ulazne energetske transformatore koji su smješteni na spoju vjetroelektrane sa sustavom. Vjetroturbinski generatori trebaju tako�er doprinositi regulaciji napona u sustavu; s jedne strane obzirom na odre�eni raspon napona koji je potrebno održavati u �vorištu priklju�enja vjetroelektrane na sustav, a s druge strane obzirom na odre�enu razinu kompenzacije jalove snage.
66
Zahtjevi koji se postavljaju obzirom na kompenzaciju jalove snage definirani su prema rasponu faktor snage te predo�eni u tablici 4.3. Me�usobna usporedba zahtjeva koji se postavljaju obzirom na jalovu snagu rezultira spoznajom da što vjetroelektrane više sli�e konvencionalnim elektranama to se od njih traži pogon u ve�em rasponu faktora snage. Tablica 4.3. Zahtjevi obzirom na raspon faktora snage vjetroelektrana
Zemlja Njema�ka Danska Engleska Wales Škotska Nizozemska Irska
R
asp
on
fa
kto
ra s
na
ge
0.975 kap do 0.975 ind
u to�ki priklju�enja
od 01/01/2002.
Neutralnost obzirom na
jalovu snagu u �vorištu
priklju�enja (nulta
razmjena jalove snage)
Jedini�ni faktor snage u
to�ki priklju�enja na javnu mrežu.
0.95 kap – 0.95 ind u
to�ki priklju�enja
nakon 01/01/2006
Na priklju�nicama generatora 0.96 kap – 0.98 ind
(sada za <100MW)
0.95 kap – 0.9 ind
(sada za >100MW)
(od 07/2003 za <100MW)
0.95 kap – 0.85
ind (od 01/2007 za
sve veli�ine izgradnje)
0.8 kap – 0.85 ind
(pretpostavlja se da se radi o
�vorištu priklju�enja)
Isti Mvar iznos
proizvodnje i potrošnje
jalove snage izme�u
minimalnog i maksimalnog optere�enja, radije nego
ograni�avanje na temelju
kap/ind faktora snage
4.4.3. Stanje u uvjetima kvara
Zahtjevi vezani uz me�udjelovanje izme�u elektroenergetskog sustava i vjetroelektrane u slu�aju pojave kvara u sustavu iznimno su zna�ajni. Dakle potrebno je poznavati utjecaj priklju�enja vjetroelektrana na sustav te njihov odziv tijekom poreme�aja poput kratkih spojeva u sustavu. S pove�anjem veli�ine izgradnje vjetroelektrana pove�ava se i zna�enje njihove sposobnosti prolaza kroz stanje kvara u sustavu (bez isklju�enja) na na�in što sli�niji sinkronim generatorima koje nadomještavaju. Stoga se trebaju definirati sposobnosti vjetroelektrane kako ona ne bi imala negativan utjecaj na sustav i potroša�e. Zahtijevana sposobnost vjetroelektrane u uvjetima pojave kvara u sustavu uobi�ajeno se naziva sposobnoš�u prolaza vjetroelektrane kroz stanje kvara. Zahtjevi nekih europskih operatora obzirom na sposobnost prolaza vjetroelektrane kroz stanje kvara predo�eni su u tablici 4.4. Bitno je uo�iti da razli�iti operatori vode razli�ite sustave te da su zahtjevi svakog od njih postavljeni imaju�i u vidu vlastiti sustav.
67
Tablica 4.4 Zahtjevi s obzirom na sposobnost prolaza vjetroelektrane kroz stanje kvara
Zemlja Njema�ka Danska Engleska Wales Škotska Nizozemska Irska
Sposo
bn
ost
pro
laza
k
roz
sta
nje
kva
ra
Od 01/01/2002
VE mora ostati priklju�ena za
propad napona na 15% od
nazivnog u VN �vorištu
priklju�ka u trajanju od
barem 680 ms i ostati iznad
pravca oporavka
napona do 3000 ms.
VE mora ostati
priklju�ena u uvjetima
pojave prolaznog trofaznog
KS te dvofaznog
KS s neuspješnim ponovnim
uklju�enjem voda na stanje kvara.
VE treba ostati priklju�ena u
uvjetima pojave krutog trofaznog KS na 400 kV i
275 kV razinama za
ukupno vrijeme
trajanja kvara u iznosu do
140 ms. Ne smije do�i
do gubitka snage
proizvodnje.
VE treba izdržati kvarove u
prijenosu (132kV i više) koji stvaraju propad napona
na:
0% od 07/2005 (<30MW)
01/2004(>30MW)
15% od 01/2004 (<30MW)
sada (>30MW)
VE ne smije biti isklju�ena
za propad napona na 0% u trajanju od
100 ms.
Dozvoljava se 200 ms period
prijelaznog oporavka
iznosa napona.
VE mora biti sposobna
održati pogon pri naponu
sniženom na iznos od 15% u trajanju od barem 625 ms te ostati iznad pravca
oporavka napona do 3000 ms.
4.4.4. Kvaliteta elektri�ne energije
Kvaliteta elektri�ne energije iznimno je zna�ajan aspekt priklju�enja i pogona vjetroelektrane. Bitno je razumjeti da vjetroelektrane imaju utjecaj na korisnike sustava, posebice one koji su smješteni u njihovoj blizini, kojima treba isporu�iti elektri�nu energiju zahtijevane kvalitete. Procjena kvalitete isporu�ene elektri�ne energije izvodi se na temelju više aspekata od kojih su najzna�ajniji sljede�i: Emisija flikera: poreme�aji napona u podru�ju niskih frekvencija, Brze promjene napona: jednostruke brze promjene efektivne vrijednosti napona, pri �emu promjene napona imaju odre�eno trajanje (npr. javljaju se pri sklopnim operacijama vjetroturbinskih generatora)
- Harmonici: periodi�ki poreme�aji napona ili struje s frekvencijama n50 (n je cijeli broj)
U idealnom slu�aju, kvaliteta se mjeri prema IEC propisima uzimaju�i u obzir zahtjeve iz danskih propisa. Tada proizvo�a� opreme može koristiti podatke iz tih mjerenja za vrednovanje kvalitete. Sli�no njema�kim tehni�kim propisima, IEC 61400-21 propisuje parametre kvalitete vjetroturbinskih generatora koje je potrebno mjeriti te metode mjerenja koje je potrebno primijeniti. IEC tako�er zahtijeva mjerenje flikera, harmonika, vršnih snaga, faktora snage tijekom normalnog pogona kao i fluktuacija snage i flikera tijekom sklopnih operacija. U slu�aju da je potrebno napraviti kona�an izbor, �eš�e se predlaže slije�enje IEC propisa nego njema�kih propisa. 4.4.5. Zahtjevi s obzirom na signale, komunikaciju i upravljanje
Tehni�ki kriteriji priklju�enja vjetroelektrana na sustav uklju�uju i aspekte signala, komunikacija i upravljanja. Zna�ajno je uvidjeti da sustav komunikacija u/iz vjetroelektrane treba izvesti za svaku pojedina�nu vjetroelektranu. Vlasnik vjetroelektrane odgovoran je za dobavljanje signala neophodnih za vo�enje pogona elektroenergetskog sustava. Pored djelatne i jalove snage proizvodnje
68
mogu se tražiti i drugi signali poput statusa vjetroelektrane i brzine vjetra na lokaciji njezine izgradnje.
Pitanja vezana uz signale, komunikacije i upravljanje obzirom na priklju�enje
vjetroelektrane na sustav su: Informacijski signali iz vjetroelektrane prema operatoru sustava; Upravlja�ki signali od operatora sustava prema vjetroelektrani; Predvi�anje djelatne snage proizvodnje i deklariranje raspoloživosti. Zahtjevi obzirom na komunikaciju s vjetroelektranom vrlo su sli�ni u svim zemljama. Sva pravila zahtijevaju raspoloživost signala napona, djelatne snage, jalove snage i pogonskog statusa vjetroelektrane. 4.4.6. Stabilnost elektroenergetskog sustava
Sposobnost održavanja stanja pogonske ravnoteže pri normalnim uvjetima i sposobnost postizanja prihvatljivog stanja ravnoteže pri pogonskim uvjetima nakon pojave poreme�aja, može se definirati kao stabilnost elektroenergetskog sustava. Pod pojmom stabilnost podrazumijeva se iznos napona, kut, frekvencija, koji mogu biti promijenjeni (poreme�eni) uslijed priklju�enja vjetroelektrana na elektri�nu mrežu. Naj�eš�a vrsta priklju�ka vjetroelektrana je na distribucijsku mrežu. Današnji distribucijski sustavi se izvode na na�in da omogu�e prihvat snage iz prijenosne mreže, koju �e zatim razdijeliti potroša�ima tako da se tokovi djelatne i jalove snage uvijek kre�u u smjeru od više prema nižoj naponskoj razini. Distribucijska mreža može biti aktivne ili pasivne naravi. Kod mreže pasivne naravi misli se na napajanje potroša�a, dok aktivna podrazumijeva tokove snaga i napone koji su odre�eni na osnovi kako optere�enja, tako i proizvodnje. Dakle, distribuirana proizvodnja uzrokuje promjene tokova djelatne i jalove snage, te stvara zna�ajne tehni�ke i ekonomske posljedice po EES. Kako je mreža do sad bila pasivne naravi, te je gotovo uvijek zadržavala stabilnost uz stabilnu prijenosnu mrežu, problem stabilnosti nije ulazio u analizu distribucijskih mreža. Isto tako pri procjeni iskoristivosti proizvodnje elektri�ne energije iz obnovljivih izvora, stabilnost se u ve�ini zemalja rijetko uzima u obzir i analizira. Me�utim, s o�ekivanim pove�anjem prodiranja obnovljivih izvora te njihovim doprinosom sigurnosti mreže, predvi�a se da �e se takav pristup stabilnosti promijeniti s posebnim naglaskom na analizu stabilnosti kuta i napona. Stabilnost frekvencije pojavljuje se kao problem u izoliranim sustavima, kao što su oni na udaljenim otocima. Ako postoji pove�ana integriranost vjetroelektrana i EES-a, u slu�aju brzih promjena vjetra i vrlo visokih brzina vjetra, može do�i do iznenadnih gubitaka proizvodnje, odnosno do odstupanja frekvencije i dinami�ki nestabilnih stanja.
69
4.4.7. Rad vjetroelektrane na mreži - problemi Jedan od osnovnih problema prilikom priklju�ka vjetroelektrana na mrežu leži u �injenici da vjetra u blizini prijenosne mreže ima zna�ajno manje od vjetra koji je više od 30 km udaljen od mreže. Ograni�enja u prijenosnoj mo�i vodova mogu zahtjevati izgradnju dužih vodova što pove�ava troškove. Pri radu na mreži javlja se i problem viška vjetra - odbacivanje energije iz vjetroelektrana kada opkupno optere�enje u sustavu prelazi proizvodnju iz temeljnih elektrana, poput proto�nih hidroelektrana ili nuklearnih elektrana. Rješenje problema provodi se na razini regionalne me�unarodne interkonekcije. Najzna�ajnije ograni�enje je velika varijabilnost vjetra, koja se može se smanjiti instaliranjem vjetroelektrana na širokom podru�ju. Slaba predvidljivost vjetra problem je koji se može umanjiti korištenjem poboljšanih metoda predvi�anja vremena (vjetra). Mogu�a je i bolja regulacija uporabom vjetroelektrana s kontrolom nagiba lopatica i varijabilnom brzinom. Ipak, zaklju�no, vjetroelektrane mogu smanjiti potrošnju goriva u termoelektranama, ali ne mogu smanjiti njihovu izgradnju jer ne mogu jam�iti proizvodnju elektri�ne energije u kriti�nim razdobljima – problemi s frekvencijom, smetnje i nestabilnost (prema razmatranjima iz prethodnih poglavlja). Mogu�a je njihova uporaba kao vršnog izvora energije.
4.5. Tržište energije vjetra i stanje u Hrvatskoj 4.5.1. Tržište energije vjetra Na slici 4.13. prikazana je ukupno istalirana snaga vjetroelektrana u svijetu od 1993. – 2006. (podaci: EUrObserver ER 2007.) Jasno je vidljiv vrlo visok porast ukupno instalirane snage vjetroelektrana, koji je u 2006. iznosio ukupno 72 GW, a treba naglasiti i da je Europska unija najve�e je i najdinami�nije tržište energije vjetra s udjelom od 66,8 % ukupne svjetske instalirane snage, te s prosje�nim godišnjim porastom od 1997. od oko 35%, od �ega se u Njema�koj nalazi daleko najve�i dio instaliranih vjetroelektrana u EU, a potom slijede Španjolska i Danska (u kojoj udio proizvedene elektri�ne energije iz vjetroelektrana prelazi 20%). To potvr�uje i slika 4.14. gdje je prikazana ukupno istalirana snaga vjetroelektrana u EU 2006. (podaci: EUrObserver ER 2007.)
70
Slika 4.13. Ukupno istalirana snaga vjetroelektrana u svijetu od 1993. – 2006.
71
Slika 4.14. Ukupno istalirana snaga vjetroelektrana u EU 2006 4.5.2. Stanje iskorištenja energije vjetra u Hrvatskoj U Hrvatskoj je izdvojeno 29 lokacija koje su pogodne za izgradnju vjetro-elektrana. Od toga 19 je na otocima i poluotoku Pelješcu, a 10 u priobalju. Ukupna potencijalna godišnja proizvodnja el. energije putem VE na ovim lokacijama procjenjuje se u rasponu od 0,375 do 0,80 TWh godišnje. Osim tih lokacija potencijal na morskoj površini procijenjen je u rasponu od 350 do 500 GWh na godinu. Sve odabrane lokacije na jadranskom priobalju i otocima imaju srednju godišnju brzinu vjetra ve�u od minimalnih 5,5 m/s (lokacije koje imaju srednju godišnju brzinu vjetra manju od 5,5 m/s temeljem suvremenih svjetskih iskustava nisu prikladne i gospodarski opravdane za korištenje vjetra).
Ukupni kapacitet [MW]
Instalirano 2006.
Deinstalirano 2006.
72
Vjetropark Ravne, otok Pag Na Ravnama iznad Paga od kraja 2004. godine izgra�en je sustav od sedam vjetroelektrana, duljina odabrane lokacije je približno 2 km. Na visini od 20 m iznad tla izmjerena je srednja godišnja brzina vjetra od 6,4 m/s. Temeljem prikupljenih podataka, donja granica o�ekivane godišnje proizvodnje el. energije iznosila bi približno 12,36 GWh. Jaki i �esti udari bure izmjereni na ovoj lokaciji, �esto zabilježeni i ve�i od 40 m/s, dijelom su uvjetovali i izbor tipa vjetro-turbine. Proizvo�a� prve vjetroelektrane je njema�ka tvrtka Nordex. Instalirano je 7 x 850 kW vjetro-turbina, �ija je ukupna snaga 5,95 MW. Promjer rotora je 50 metara, površina rotora 1964 m2 , a visina stupova 50 metara. Vrh krila u duljini 3,7 metara je mogu�e zakrenuti do 85° u odnosu na glavno krilo i služi kao aerodinami�ka ko�nica. Generator smješten u trup turbine je dvonamotni 4/6 polni vodom hla�en kavezni asinkroni motor. Za vrijeme slabijeg vjetra radi kao 6-polni 200 kW, a kod ve�ih brzina vjetra kao 4-polni 800 kW generator. Priklju�en je na distribucijsku mrežu preko tiristorske jedinice. Ukupna investicija iznosi približno 48 milijuna kuna, od toga 2,3 milijuna kuna otpada na troškove priklju�ka te na konstrukciju i prilagodbu mjesta priklju�ka. Otkupna cijena proizvedene energije je 90 % prosje�ne prodajne cijene el. energije, odnosno donja granica otkupa je 0,0485 eura/kWh. Prema prora�unima, o�ekivana godišnja proizvodnja elektri�ne energije je izme�u 13,5 i 15 GWh. Vrijeme trajanja ugovora je 15 godina. Osnovni elementi i uvjeti privre�ivanja vjetroelektrane definirani su Ugovorom o kupoprodaji elektri�ne energije, potpisanim u jesen 2001. te revidiranim u prolje�e 2004. godine izme�u Hrvatske elektroprivrede i tvrtke Adria Wind Power. Vjetropark Trtar-Krtolin, kod Šibenika Na brdima Trtar i Krtolin u zale�u Šibenika od lipnja 2006. pušteno je u pogon 14 vjetroturbina koje �e proizvoditi 32.000 MWh elektri�ne energije, što �e zadovoljiti potrebe 10.000 doma�instava. Osniva�i i vlasnici su njema�ke tvrtke WPD International GmbH i Enersys Gesellschaft für regenerative Energien mbH, a otkup elektri�ne energije osiguran je ugovorom s Hrvatskom elektroprivredom. Vjetroelektrana je sklopila ugovor o sponzorstvu s Gradom Šibenikom i 0,5 posto godišnjeg prihoda od proizvodnje elektri�ne energije izdvajat �e kao potporu projektima u Šibeniku. Financiranje gradnje Vjetroelektrane Trtar-Krtolin strukturirano je prema modelu projektnog financiranja, jer se projekt kreditira nov�anim tokom koji sam generira. Rok otplate kredita je 14 godina, a s HEP-om je sklopljen ugovor o kupoprodaji elektri�ne energije na rok od 15 godina. Osim ovih vjetroelektrana, u planu su i novi projekti, odnosno izgradnja još dvije vjetroelektrane na Pagu, Novalja 1 i 2, nazivne snage 17,00 MW, jedne u Dubrova�kom primorju, Rudina, nazivne snage 52,5 MW, dvije vjetroelektrane na Visu i jedne kod Obrovca, a procjenjuje se da u Hrvatskoj ima stotnjak lokacija za vjetroelektrane ukupne snage oko 600 MW. Na obroncima �i�arije rovinjska Valalta i njema�ki Wallenbron Projektentwicklung planiraju gradnju 34 vjetroturbogeneratora snage 80 MW, vrijednu 80 milijuna eura. U planu je i gradnja vjetroelektrana kod Senja i Gra�aca. U razli�itim fazama pripreme, od mjerenja vjetropotencijala do u cijelosti pripremljenih projekata, danas je više od 50 vjetroelektrana u Hrvatskoj.
73
5. ENERGIJA SUN�EVOG ZRA�ENJA Energija Sunca osnovni je pokreta� svih klimatskih i životnih ciklusa na Zemlji. Stoga je Sunce predstavljalo centar pravjerovanja brojnih civilizacija. Danas Sunce doživljavamo kao izvor ugode i kao enormni neiskorišteni potencijal za podmirivanje energetskih potreba uz minimalan utjecaj na globalno zagrijavanje. Nastavak poglavlja opisuje kako se odre�uje potencijal Sun�eva zra�enja. Potom slijedi opis korištenja Sun�eva zra�enja u toplinskim i primjenama za proizvodnju elektri�ne energije.
5.1 Potencijal Sun�eva zra�enja Energija Sun�eva zra�enja kontinuirano pristiže na Zemlju koja se okre�e oko svoje osi i oko Sunca. Posljedi�no imamo dnevne i sezonske mijene snage Sun�eva zra�enja koje stiže do površine Zemlje. Snaga Sun�eva zra�enja na ulazu u Zemljinu atmosferu, pri srednjoj udaljenosti od Sunca, iznosi 13701 W/m2. Do površine Zemlje stiže otprilike pola. Ukupno Sun�evo zra�enje koje do�e na Zemlju vrati se natrag u svemir2. Snaga koju stvarno na površini imamo zna�ajno ovisi o prilikama u atmosferi i o oblacima. Za grubu ocjenu prosje�ne snage Sun�eva zra�enja na površini zemlje tijekom cijele godine se može uzeti vrijednost od skoro 200 W/m2. Jednostavni ra�un s površinom Zemlje okrenutom Suncu može ocijeniti godišnje dozra�enu energiju. Slika sa strane uspore�uje preko volumena kocke energiju Sunca dozra�enu na Zemlju (1) s rezervama primarnih izvora energije i ukupnom svjetskom potrošnjom energije (7). Nedvojbeno je da se radi o enormnim koli�inama energije mnogostruko ve�im od svih rezervi ugljena (4), prirodnog plina (3), nafte (5) i urana (6) zajedno. Iznos trenutno korištene Sun�eve energije prikazuje najsitnija kocka broj 2. Za neku odre�enu lokaciju potencijal Sun�eva zra�enja se odre�uje mjerenjem i analiti�ki. Mjeriti se može lokalno ili satelitski. Analiti�ki pristup daje zadovoljavaju�e rezultate ukoliko je poznat tzv. indeks prozra�nosti (Kt – odre�uje koliko zra�enja do�e do površine). Piranometrom (termi�kim ili poluvodi�kim) se mjeri globalna (ukupna), direktna i difuzna (raspršena) ozra�enost na horizontalnu površinu (gusto�a energije - H Wh/m2). Daljnja analiti�ka procjena je nužna zbog toga što su rezultati mjerenja naj�eš�e dostupni samo za ukupnu ozra�enost i jer se konverzija Sun�eva zra�enja odvija pod odre�enim kutom (�) u odnosu na horizontalnu površinu, a difuzno i direktno zra�enje tako�er ovise o tom kutu i o indeksu prozra�nosti. Dodatno treba voditi ra�una i o reflektiranoj komponenti koja ovisi o direktnoj komponenti, kut � i specifi�noj konfiguraciji terena.
1 Uslijed blage ekscentri�nosti putanje Zemlje oko Sunca i razli�ite udaljenosto tijekom godine vrijednost Solarne konstante varira ±3,5%. To se može zanemariti prema ostalim varijabilnim utjecajima. 2Na putu do površine Zemlje oko 30% direktno se odbija natrag u svemir (od atmosfere 6%, od oblaka 20% i od zemlje 4%), oko 19 % apsorbira se u atmosferi (oblaci 3%, atmosfera iznad 16%), a ostatak upije kopno i more. Iz zemlje i oceana sve se vra�a natrag: zagrijavanjem zraka 7%, isparivanjem vode 23% i infracrvenim zra�enjem 21%. Uz prethodne izmjene u oblacima i atmosferi Zemlju na kraju napušta infracrvenim zra�enjem 70% Sun�eve energije.
74
Obra�eni podatci su dostupni od razli�itih institucija koje integriraju mjerenja meteoroloških postaja i satelita s analiti�kom obradom za višegodišnja razdoblja i razli�ite rezolucije. Svi izvori koji nisu rezultat posebnih mjerenja za konkretnu lokaciju imaju neodre�enost koja može biti i do 30%. Varijabilnost uslijed lokalnih vremenskih prilika još je ve�a. Neodre�enost je manja na razini procjene za ukupnu godišnju ozra�enost. Primjer izvora podataka koje je mogu�e kupiti je European Centre for Medium Range Weather Forecast (2,5x2,5o i preciznije, data.ecmwf.int/data). Postoje i podatci koji su slobodno dostupni, npr.: NASA Surface Meteorology and Solar Energy za razdoblje od 1983-19993 u rezoluciji od 1o, i Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) za mrežu od 1 do 2 km. Slika 5.1 prikazuje ilustraciju PVGIS podataka za horizontalnu površinu.
ožujak lipanj rujan prosinac
Slika 5.1. Prosje�na dnevna ozra�enost na ravnu površinu [kWh/m2]
Slika 5.2 prikazuje PVGIS podatke sumarno za cijelu godinu uz optimalni kut. Optimalni kut se tako�er treba odrediti za svaku lokaciju.
75
Slika 5.2. Ukupna godišnja ozra�enost [kWh/m2] za površinu pod optimalnim kutom
Prema PVGIS podatcima optimalni kut se za podru�je RH kre�e od 33o na sjeveru do 37o na jugu. Valja imati na umu da se optimalni kut mijenja tijekom godine zbog prividnog kretanja sunca3. Kod fiksnih instalacija je potrebno odabrati optimalni kut za maksimalnu godišnju energiju ili za maksimalnu energiju tijekom slabijih sun�anih dana. Najbolje je rješenje koje prati kretanje sunca. Time se može pove�ati dobivena energija za 25-40% - više se postiže na pra�enje Sunca u dvije osi i za sun�anije lokacije (Slika 5.3).
3 Prema PVGIS npr. za Zadar optimalni kut na nivou godine je 36o, a za pojedine mjesece: 45o u ožujku, 10o u lipnju, 41o u rujnu i 66o u prosincu.
76
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Slika 5.3. Globalno ozra�enje tijekom godine za razne nagibe i za 2-osno pra�enje za centralnu Europu [35]
Spektar svjetlosti koja obasjava FN �eliju ovisi o debljini i sastavu atmosfere kroz koju prolazi. Slika 5.4. ilustrira utjecaj stanja u atmosferi (smog i oblaci) na intenzitet.
Slika 5.4. Utjecaj stanja u atmosferi i naoblake na intenzitet Sun�eva zra�enja tijekom dana
Ovisno o dobu dana, zemljopisnoj širini i godišnjem dobu svjetlost do neke to�ke na površini Zemlje putuje kroz deblji ili tanji sloj atmosfere. Koliki je taj put u odnosu na najkra�i izražava se kao omjer mase zraka (AM)4. Slika 5.5 prikazuje spektar Sun�eva zra�enja na ulazu u utmosferu i na tlu nakon direktnog prolaza.
4 AM ' Air Mass, po konvenciji se površina atmosfere ozna�ava sa AM=0.
77
Slika 5.5. Spektar Sun�eva zra�enja na ulasku u atmosferu i na površini Zemlje
[35]
Za procjenu potencijala korištenja Sun�eva zra�enja i preliminarne analize primjene dovoljni su i ovako relativno grubi podatci. Ograni�enje za korištenje Sun�eve energije u podnebljima poput našega sigurno nije primarno u dostupnim podatcima o potencijalu. Vode�a Europska zemlja u korištenju Solarne energije je Njema�ka gdje je godišnja prosje�na ozra�enost na optimalnu površinu ispod 1000 kWh/m2.
78
5.2 Toplinska primjena Pod toplinskim korištenjem Sun�eva zra�enja podrazumijeva se direktna primjena za zagrijavanje objekata, grijanje vode ili u novije vrijeme korištenje u rashladnim ure�ajima. Toplinska primjena se dijeli još na pasivnu i aktivnu.
5.2.1. Pasivna arhitektura Najstariji oblik korištenja energije Sun�eva zra�enja je u pasivnoj arhitekturi. Pasivna gradnja ponajprije zna�i da se stambene cjeline i objekti grade tako da se �im više zagrijavaju kada je tijekom godine hladno i da se što manje zagrijavaju kada je toplije godišnje doba. Ovo je mogu�e posti�i zahvaljuju�i �injenici da je kut (deklinacija) pod kojim se Sunce, u krajevima sjeverno od ekvatora, nalazi tijekom ljeta ve�i od onoga preko zime. Pasivno rješenje predstavlja nadstrešnica na južnom dijelu nastambe. Ljudi ovo koriste ve� više od dva milenija. Pasivna gradnja dodatno može biti u dobroj izolaciji objekta; zidovima i podovima koji imaju dodatnu masu za akumuliranje topline (akumulacija preko dana za no�ne potrebe); odgovaraju�om izvedbom prozora; dodatnim izvorom svjetla iz posebnih kanala. Postoje i rješenja koja strogo gledano nisu pasivna gdje se može npr. pomicati pokrov ili dio fasade. Kontrolirana ventilacija tako�er doprinosi u�inkovitosti i komforu. Pretpostavka pasivnoj gradnji je zna�ajna južna površina i da nema zasjenjivanja okolnih objekata. Dodatno treba planirati ure�enje oko objekta raslinjem za stvaranje sjene zelenilom preko ljeta i osiguravanjem zaklona od vjetra preko zime. Slika 5.6 ilustrira dio navedenih mjera.
Slika 5.6. Primjer pasivne arhitekture (www.inhabitat.com Green Building)
Europska unija planira primjenom pasivne gradnje nadomjestiti 35 Mtoe energije za grijanje objekata (potrebe za oko 1,5 milijuna domova). Ovo se nastoji ostvariti kroz definiranje standarda pasivne gradnje, edukacijom i povezano sa poticanjem u�inkovitosti. Premda kompletne u�inke pasivne gradnje nije jednostavno valorizirati one
79
nedvojbeno predstavljaju najjednostavniji, najdjelotvorniji i ekonomi�an na�in korištenja energije Sunca.
5.2.2. Toplinski kolektori Korištenje energije Sunca preko toplinskih kolektora malo je složenije od pasivnih rješenja ali zato sigurno najisplativije. Rješenja mogu biti sa i bez aktivnih komponenti te mogu koristiti zrak ili vodu kao radni medij. Dalje se mogu razlikovati po temperaturi koju postiže radni medij, tako imamo: nisko, srednje i visoko temperaturne primjene. Najjednostavnija nisko temperaturna rješenja se koriste za grijanje bazena ili industrijskih objekata. Izvode se sa cijevima bez pokrova ili sa fasadama koje imaju zra�ne prolaze. Najbolji su za temperature do 10 oC iznad okolišne (slika 5.7.).
www.re-solutions.org (NREL)
Slika 5.7. Nisko temperaturni kolektori za grijanje vode u bazenima i za grijanje prostora
Nešto složeniji srednje temperaturni kolektori imaju pokrov od stakla te posebne premaze koji pospješuju apsorpciju uz minimalnu emisiju. Koriste se za grijanje objekata i tople vode. Najbolji stupanj djelovanja imaju za temperature medija do 50 oC iznad okolišne. Visoko temperaturni kolektori su najsloženiji jer zahtijevaju vakumirane staklene cijevi i dobru izolaciju. Prednost im je što omogu�avaju postizanje temperatura iznad 50 oC, a u posebnim izvedbama i preko 100 oC. Slika 5.8. prikazuje presjek vakumirane cijevi visoko temperaturnog kolektora.
80
Slika 5.8. Presjek evakuirane staklene cijevi visoko temperaturnog kolektora Na kraju 2005. u svijetu je bilo ukupno instalirano 1115 GWt kapaciteta solarnih kolektora. Kina6 sa 52 GWt instaliranih kapaciteta neprikosnoveno vodi, drugi SAD ima malo više od 20 GWt, potom slijede Turska Njema�ka i Japan sa oko 5 GWt, Australija i Izrael imaju oko 3 GWt i na kraju vrijedno spomena je da Gr�ka, Austrija i Brazil imaju oko 2 GWt instaliranih solarnih kolektora. Pored ogromne razlike u instaliranim kapacitetima jednako je velika razlika u relativnom udjelu pojedinih vrsta kolektora. Tako Kina jedina ima preko 90% instalirane visoko temperaturne kolektore sa evakuiranim cijevima. Potom SAD ima preko 90% nisko temperaturnih kolektora bez pokrova (primarno za grijanje bazena) i tome je sli�no stanje samo u Australiji. Sve ostale zemlje (uklju�uju�i Europu) imaju primarno instalirane srednje temperaturne kolektore sa pokrovom. EU trenutno ima instalirano preko 10 GWt, ali polovica od toga u Njema�koj koja ima dvije tre�ine instalacija zajedno sa Gr�kom i Austrijom. Planovi7 su do 2010 ostvariti 100 milijuna m2. Stope rasta koje se ostvaruju potvr�uju realnost potencijala ovakvog korištenja Solarne energije. Modeliranje rada solarnog kolektora se može promatrati pojednostavljeno sa modelom koji preuzetu toplinu u mediju (npr. voda) izražava proporcionalno transmitivnosti pokrova (�) i apsorptivnosti (�) apsorbera, a gubitke proporcionalno koeficijentu ukupnih gubitaka (k W/m2K) i razlici temperature medija prema okolišu (�T). Pojednostavljeno obje topline su proporcionalne faktoru (F) prijenosa topline izme�u apsorbera i vode. Za kolektor površine A dobivena toplina Qk u vremenu �t ovisi o ozra�enosti prema izrazu 5.1.
Qk = F �A [� � � �H - k� �T� �t] (5.1)
Efikasnost kolektora predstavlja omjer dobivene topline i dozra�ene energije Sunca. �esto se efikasnost kolektora prikazuje u funkciji omjera razlike temperature medija i
5 Prema AEE Intec Solar Heat Worldwide 6 Kina ima plan da do 2015. sa preko 1500 GWt osigura da oko 25% stanovništva koristi Solarne kolektore. 7 Pojednostavljeno se uzima da 1 m2 ima potencijal za 0,7 kWh na dan (oko 250 kWh godišnje).
81
okolnog zraka prema iznosu ozra�enosti. Slika 5.9. prikazuje kretanje efikasnosti tri razli�ite vrste kolektora.
www.wbdg.org
Slika 5.9. Efikasnost razli�itih izvedbi kolektora u ovisnosti o �T i ozra�enja Slike 5.10. i 5.11. prikazuju naj�eš�i na�in korištenja solarnih kolektora: pasivno i aktivno. Pasivna rješenja su popularnija, a i primjerenija za sun�anija podneblja.
Slika 5.10. Najjednostavnija popularna primjena pasivnog kolektora
82
Solarni kolektor
Izolirane cijevi
PumpaSpremnik
Hladna vodaTopla voda
Pom. grija�vode
Rasteretni ventil
Ispust
Slika 5.11. Aktivna izvedba solarnog kolektora
5.2.3. Hla�enje Sve su brojniji projekti koji demonstriraju direktnu primjenu Solarne energije za hla�enje. Za kompletnu dostatnost se razmatraju kombinirana rješenja sa bojlerima na biomasu. Stanje razvoja je pred uvo�enjem na tržište i zna�ajno smanjenje cijene se o�ekuje u idu�im godinama. Važnost primjene Solarne energije za hla�enje je u sve ve�im potrebama za elektri�nom energijom u ljetnim mjesecima i maksimalnom poklapanju sa njenom dostupnosti. Solarno hla�enje radi tako da zamjenjuje kompresor, pogonjen el. en., procesom koji koristi medij za preuzimanje topline s vrlo niskom to�kom klju�anja (ispod 0 oC). Ure�aj se sastoji od bojlera, kondenzatora, evaporatora i absorbera. Može se koristiti amonijak pod tlakom tako da je teku� na sobnoj temperaturi, a potrebni su još vodik i voda. Razvijaju se i rješenja s litij bromidom i vodom. Hla�enje bez korištenja mehani�ke energije poznato je još od po�etka prošlog stolje�a kada je bilo popularno jer el. en. nije bila dovoljno dostupna za razliku od izvora ostatne topline. Ovakav na�in rashla�ivanja se izvodi na apsorpcijski i adsorpcijki na�ine.
83
5.3 Proizvodnja elektri�ne energije Elektri�na energija se proizvodi iz energije Sunca na dva razli�ita na�ina: posredno preko toplinskog kružnog procesa i direktno korištenjem fotoefekta. Prvi je pristup znatno bliže ekonomi�nosti, ali za drugi pristup postoji ve�i poticaj i brže se razvija.
5.3.1. Termoelektrane na Sun�evu energiju Termoelektrane na Sun�evu energiju se ne razlikuju u osnovi od ostalih termoelektrana u dijelu koji pretvara toplinsku energiju u elektri�nu. Uvijek se primjenjuje desnokretni toplinski kružni proces koji preko turbine ili nekog drugog toplinskog stroja pretvara toplinsku energiju u mehani�ku i elektri�nu preko generatora. Tri su razli�ita rješenja Solarnih termoelektrana relevantna prema iskustvu i potencijalu za ekonomi�nu primjenu: paraboli�na proto�na, Solarni toranj i paraboli�ni tanjur. Sve ove termoelektrane koriste primarno direktnu komponentu Solarnog zra�enja i za dostatnu u�inkovitost moraju pratiti kretanje Sunca. Pokraj navedenih rješenja zanimljivo je spomenuti i tzv. Solarni dimnjak koji se bazira na solarnim kolektorima i zra�nim turboagregatima. Postoje eksperimentalna rješenja, ali njihov potencijal za sada izgleda manji od solarnih termoelektrana. Potrebno je oko 200 m2 površine za 1 kWe.
Paraboli�na proto�na solarna termoelektrana
Rješenje solarne termoelektrane (STE) s poljem cijevi u fokusu polja linearnih paraboli�nih koncentratora ima najve�i potencijal za posve komercijalno korištenje. Kumulativno iskustvo i ukupne probne instalacije daleko premašuju sva ostala rješenja solarnih TE. Veliko iskustvo sa ovim rješenjem dolazi od 354 MWe instalacija u Mojave pustinji u Californiji još prije 20 godina �ini paraboli�ne proto�e STE najrazvijenijom tehnologijom. Relativni zastoj u aktivnostima se mijenja u zadnje vrijeme izgradnjom postrojenja u Španjolskoj, Izraelu i drugdje, ali uz zastoje i nejasnu kratkoro�nu budu�nost. Koncentracijom Sun�eva zra�enja od 75x postižu se temperature radnog medija i do 400 oC. Ukupna efikasnost ovisi o specifi�noj izvedbi, ali se kre�e oko 12%. Solarni koncentratori mogu pratiti Sunce samo u jednoj osi i to je obi�no istok-zapad. Kao kružni proces se uobi�ajeno koristi Rankineov direktni ili posredni. Uskla�ivanje dostupnosti energije Sunca i potrošnje se rješava toplinskim spremnicima velikog kapaciteta (otopljene soli). Optimalna snaga postrojenja se ra�una na oko 200 MWe (najviše zbog površine). Slika 5.12. ilustrira pilot postrojenje paraboli�ne proto�ne STE i cijevi kroz koju prolazi medij za preuzimanje topline. Potrebno je oko 20 m2 površine za 1 kWe.
84
Slika 5.12. Paraboli�na proto�na solarna TE 30 MWe Kramer Junction, California
Slika 5.13. prikazuje ilustraciju sheme jednog rješenja cijele paraboli�ne proto�ne STE Prikazano rješenje nema spremnik toplinske energije, ali ima dodatni izvor topline iz klasi�nog goriva za pove�avanje ukupnog stupnja djelovanja i osiguravanje rada u trenucima kada nema Sunca.
Slika 5.13. Shema primjera izvedbe paraboli�ne proto�ne Solarne TE s
dogrijavanjem
85
Solarna termoelektrana sa solarnim tornjem
Rješenje STE sa centralnim tornjem prema kome su usmjerena reflektiraju�a zrcala vrlo je sli�no rješeno u ostatku postrojenja paraboli�noj proto�noj izvedbi. Tehnologija sa centralnim tornjem je nešto slabije razvijena. Ovdje se postižu koncentracije Sun�evih zraka do 800x i temperature u tornju do 560 oC (istopljena duši�na sol, organske kapljevine ili zrak). Optimalna snaga se procjenjuje u rasponu od 100 do 100 MWe. Potrebno je oko 20 m2 površine za 1 kWe. Slika 5.14. ilustrira pilot postrojenja STE sa solarnim tornjem.
Slika 5.14. Solarni toranj 11 MWe (Španjolska, 600 ogledala) i Solar II 10 MWe
California (2000 ogledala, 100 m toranj, 40 M$)
Slika 5.15. prikazuje pozitivan utjecaj toplinskog spremnika na mogu�nost pomicanja proizvodnje el. en. prema potrebama. Važnost toplinskog spremnika je identi�na kao i kod proto�nih paraboli�nih STE. Kod oba rješenja najve�i utjecaj na ukupnu efikasnost imaju refleksija sun�evih zraka i termodinami�ka pretvorba.
Snag
a M
W
Slika 5.15. Utjecaj spremnika topline na pomak dostupne el. en.
86
Solarna termoelektrana sa paraboli�nim tanjurom
Najmanje razvijena od tri opisane STE je izvedba sa paraboli�nim tanjurima (slika 5.13.). Ove STE najmanje izgledaju kao uobi�ajene termoelektrane jer jedna jedinica ima snagu od 10 do 25 kWe. Kompletan toplinski stroj i generator se nalaze smješteni u fokusu tanjura promjera oko 10 m. Uobi�ajena izvedba je sa Stirlingovim toplinskim strojem (postoje izvedbe sa mikroturbinama i Braytonovim kružnim procesom). Stirlingov motor ima prednost zbog efikasnosti (i preko 40%), ali problem predstavlja pouzdanost. Ukupna efikasnost koja se postiže iznosi 22% što je bolje od ostalih izvedbi STE Sun�eva svjetlost se koncentrira više od 3000x što predstavlja izazov kod realizacije (skupo). STE sa paraboli�nim tanjurom karakterizira velika gusto�a snage (oko 55 kW/l). Medij u toplinskom stroju postiže temperature od preko 750 oC. Zna�ajna razlika STE sa paraboli�nim tanjurom u odnosu na ostale izvedbe u jedini�noj snazi odre�uje i potencijal za primjenu kao distribuirani izvor el. en. za izdvojene lokacije i sl. Trenutno u svijetu postoji više MWe ukupno instaliranih jedinica u svrhe razvoja i probnog rada.Postoje planovi za stotine MWe instalacija.
Slika 5.16. Ilustracija izvedbi STE sa paraboli�nim tanjurom
87
5.3.2. Fotonaponske �elije Pojavu da svjetlost odre�ene valne dužine kada obasjava neki metal (npr. cink ili natrij) iz njega izbije elektron otkrio je još Becquerel 1939. Objašnjenje ove kvantnomehani�ke pojave, kojom se može proizvoditi elektri�nu energiju, dao je Einstein 1905. Prva moderna izvedba fotonaponske �elije, koja iskorištava opisani efekt, ostvarena je 1954. u Bell Labs. Prema podatcima za 2006. u svijetu ima 8400 MWe instalirane snage fotonaponskih �elija. EU ima instalirano preko 40% ukupnog svjetskog kapaciteta, a preko 90% toga je instalirano u Njema�koj. Fotonaponsko korištenje Sun�eve energije sa svojim eksponencijalnim rastom od 40% godišnje predstavlja trenutno najbrže rastu�i novi izvor. Ovako veliki rast predstavlja potencijalni izvor za poreme�aje sa dobavom osnovnih sirovina (npr. silicija i indija). Razvoj i pojavljivanje na tržištu novih tehnologija poput tankog-filma, uz solidan stupanj djelovanja od 10 i više postotaka, predstavlja nadu da �e se potrebe za osnovnim sirovinama barem dijelom relaksirati. Najve�i proizvo�a�i fotonaponskih �elija su redom u Japanu, Europi, Kini i SAD-u. Vode�a tri proizvo�a�a su Sharp (JP), Q-Cells (DE) i Kyocera (JP).
Slika 5. 17. Najve�a FN elektrana sa tankim filmom otvorena 2007. u Njema�koj (6 MWp, 90000 modula površine 66775 m2)
Fotoefekt kojim se može proizvoditi elektri�na energije nastaje kada foton dovoljne energije pogodi elektron u neutralnom p-n poluvodi�kom spoju. Poluvodi� p-tipa ima slobodne elektrone i nastaje kada se kristal silicija (4 valentna elektrona) dopira 3-valentnim elementom, npr. borom, a n-tip ima slobodne šupljine (manjak elektrona) i nastaje dopiranjem silicija 5-valentnim elementom, npr. fosforom. Na spoju ova dva tipa poluvodi�a, rekombinacijom elektrona i šupljina, nastaje neutralno podru�je sa elektri�nim poljem. Da bi foton u sudaru prebacio elektron kroz to polje treba dobiti najmanje energiju jednaku tom polju. To prakti�no zna�i da svi fotoni koji imaju energiju manju od potrebne ne mogu ostvariti fotoefekt, a svi elektroni koji imaju ve�u energiju od potrebne ostvaruju izbacivanje samo jednog elektrona. Razli�iti materijali imaju odre�eni iznos energije praga ili zabranjenog pojasa.
Teorijska iskoristivost Sun�eve svjetlosti za proizvodnju elektri�ne energije u fotonaponskoj �eliji sa jednim p-n spojem ograni�ena je energijom praga kristala i nizom efekata gdje se gubi energija (npr. zagrijavanje i parazitne struje ovisno o
88
temperaturi). Od teorijskog maksimuma za silicij od 28% na 0 oC u laboratoriju je ostvareno 25%. Prakti�no se može posti�i stupanj djelovanja i preko 50% kombiniranjem više p-n spojeva zajedno i drugim naprednim rješenjima (npr. kvantne to�ke i udubljenja) koja iskorištavaju potpunije spektar Sun�eva zra�enja. Napon i maksimalna efikasnost na fotonaponskoj �eliji ovise o energiji praga poluvodi�a (Slika 5.18.).
Slika 5.18. Teorijska efikasnost za razne poluvodi�ke materijale i prosje�ne uvjete [35]
Strujno naponska karakteristika FN �elije je sli�na onoj poluvodi�ke diode, ali kao izvor el. en. Za prakti�ne primjene dobro je gledati I-U karakteristiku na nivou modula u koji se FN �elije spajaju. Na�in povezivanja FN �elija u module ovisi o željenom izlaznom naponu i snazi koje se želi posti�i. Slika 5.19. prikazuje I-U karakteristiku za Si FN �eliju.
89
Slika 5.19. Strujno naponska karakteristika FN �elije u ovisnosti o snazi Sun�eva zra�enja i temperaturi [35]
Prakti�ne izvedbe FN �elija karakterizira napon otvorenog kruga, struja kratkog spoja te stupanj djelovanja. Kod instalacije FN modula treba paziti na to da stupanj djelovanja FN �elije pada sa porastom temperature (skoro 0,5% za +1 oC), Slika 5.19. Važna je �injenica da izgled karakteristike FN diode odre�uju unutrašnji otpori i da se maksimalna snaga na trošilu postiže samo u jednoj to�ki. Slika 5.19. ilustrira pomicanje to�ke maksimalne snage ovisno o Sun�evu zra�enju i temperaturi. Tablica 5.1 ilustrira osnovne podatke za razne vrste FN �elija.
Tablica 5.1 Osnovni parametri za odabrane FN �elije
Vrsta �elije Uok V Jks / (mA cm-
2) � % Proizvodnja
Monokristali�na-Si Polikristali�na-Si Amorfna-Si Amorfna-Si, 2 sloja, tanki film Cd S / Cu2 S Cd S / Cd Te Ga In PAs / Ga As
0,65 0,60 0,85 0,5 0,7 1
30 26 15 20 15 25
14- 18 ~14
8 8,8 12
10,7 21
masovna masovna masovna manje koli�ine manje koli�ine manje koli�ine manje koli�ine
Moderne instalacije za FN primjene uklju�uju ure�aje za pra�enje to�ke maksimalne snage ovisno o promjeni optere�enja i promjeni snage Sun�eva zra�enja.
Slika 5.20. U-I karakteristika za razli�ita spajanja fotonaponskih �elija [35]
90
Kod primjene FN �elija razlikujemo tri segmenta: potroša�ki proizvodi, oto�na proizvodnja i rad na mreži. Daleko najve�i8 dio primjene je u neekonomi�nim instalacijama spojenima na mrežu. Sve ostale primjene su ekonomi�ne. Potroša�ki proizvodi poput satova i najrazli�itijih ure�aja imaju svoju dodatnu vrijednost koja opravdava ugradnju FN �elija. Samostalne instalacije zbog izdvojenosti mogu imati ekonomsku opravdanost bilo u industrijskim primjenama ili u elektrifikaciji udaljenih naselja. Poticajnim mjerama se stimulira neekonomi�ne FN primjene sa ekološkim i razvojnim argumentima. Djelovanje ekonomije velikih brojeva ima svoj u�inak i cijena FN �elija stabilno se smanjuje. Ovo je posebno izraženo sa ambicioznim uklju�ivanjem Kine u proizvodnju i primjenu FN �elija. Referentna cijena FN �elije se obi�no izražava po vršnoj snazi9. Za proizvodnju el. en. iz fotonaponskih �elija, koja bi bila blizu ekonomi�nosti, potrebno je višestruko smanjenje cijene vršne snage (otrpilike 4x na ispod 1 €/W za cijenu od 0,1 €/kWh). Uobi�ajeno samostalna primjena FN panela uklju�uje i ure�aj za kontrolu punjenja i pražnjenja baterije za optimalni rad i produljenje životnog vijeka baterije. Za primjene spojene na mreži akumulatori nisu nužni, osim u hibridnom radu, ali je zato nužan pretvara� istosmjernog u izmjeni�ni napon. Ovisno o propisima za mrežni priklju�ak potrebno je zadovoljit još neke dodatne kriterije. Npr. FN instalacija ne smije napajati mrežu kada ostane bez glavnog napajanja. Slika 5.21. ilustrira spoj FN sistema na mrežu.
Slika 5.21. Shema priklju�ivanja FN sistema za razli�ite primjene
Pokraj razvoja proizvodnje veliki potencijal za postizanje ekonomi�nosti proizvodnje el. en. iz FN instalacija ima internaliziranje eksternih troškova konvencionalnih fosilnih izvora i preciznije valoriziranje cijene el. en. u razli�itim trenutcima. Slika 5.22. ilustrira profil dostupne Solarne energije i profil potrebe za el. en. tijekom dana. FN �elije predstavljaju jedno od najdinami�nijih podru�ja kada je rije� zajedno o istraživanju, razvoju, proizvodnji i primjeni novih izvora energije.
8 Preko 70% FN instalacija godišnje bilo spajano na mrežu 2002. Danas je to vjerojatno oko 90%. 9 Vrijednost za 2006. je u razvijenom svijetu blizu 4€/W, a u Kini ispod 3 €/W.
91
Slika 5.22. Podudarnost Sun�eve energije i potreba za el. en. tijekom dana
5.4. Zaklju�no Energija Sunca pokraj toga što je u osnovi ve�ine drugih izvora energije ima i najraznolikije mogu�nosti za korištenje. Tu je najprije najrasprostranjenija jednostavna pasivna gradnja i solarni kolektori za ekonomi�no zagrijavanje. Slijede Solarne termoelektrane sa iskustvom i razvijenoš�u blizu po ekonomi�nosti konvencionalnim izvorima. Na kraju dolaze fotonaponske �elije sa mogu�noš�u direktne proizvodnje elektri�ne energije. Eksponencijalni rast proizvodnje FN �elija, uz sve ve�e uklju�ivanje utjecaja na okoliš u cijenu elektri�ne energije i razvoj tržišta elektri�ne energije predstavljaju podlogu za dugoro�nu sve bolju perspektivu korištenja energije Sunca. Kod korištenja energije Sunca treba uzimati u obzir i vrijednosti za pove�avanje energetske sigurnosti te podsticanje ekonomskih aktivnosti uz sve indirektne koristi (zapošljavanje, manji uvoz energije i dr.).
92
6. GEOTERMALNA ENERGIJA
Svrstavanje geotermalne energije u obnovljive izvore opravdano je u širem smislu. Energija unutrašnjosti Zemlje nije obnovljiva, ali je ima toliko da za prakti�ne primjene njeno eventualno iscrpljivanje nije važno. Povezanost geotermalne energije sa krutim, teku�im i plinovitim štetnim tvarima zahtjeva zatvoreni pristup korištenju da bi se osigurao relativno mali štetni utjecaj na okoliš. Nastavak sadrži objašnjenje prirode i porijekla geotermalne energije. Slijedi procjena geotermalnih resursa. Nakon toga opisani su na�ini korištenja geotermalne energije: direktno zagrijavanje i proizvodnja elektri�ne energije. Poseban osvrt je dan na specifi�nosti vezane za postrojenja u kojima se proizvodi elektri�na energija. Navedena je i procjena resursa te stanje korištenja kako za svijet op�enito tako za Hrvatsku specifi�no.
6.1 Porijeklo i priroda geotermalne energije Gravitaciona energija i zaostala toplina od formiranja Zemlje te radioaktivni raspad rezultirali su enormnom unutrašnjom kalori�kom energijom Zemlje. Procijenjena temperatura unutrašnje jezgre od oko 4000 oC, na dubini od 6370 km, postupno opada do samo nekoliko stupnjeva na površini zemlje (uz zna�ajan doprinos Sun�eve energije). Zemljina kora debljine oko 30 km pliva na omota�u oko vanjske i unutrašnje jezgre. Ponašanje unutar jezgri je relevantno za magnetske polove Zemlje, a dinamika omota�a utje�e na vulkanske erupcije i velike potrese. Za korištenje geotermalne energije od važnosti je samo Zemljina kora i to posebno na mjestima gdje se dodiruju tzv. tektonske plo�e. To je stoga što ne postoji tehnološka mogu�nost pristupa ve�im dubinama. Granice tektonskih plo�a predstavljaju mjesta velikog rizika od aktivnih vulkana, potresa i dobar potencijal za korištenje geotermalne energije.
Slika 6.1. Tektonske plo�e, aktivni vulkani i geotermalni izvori (UiB, Institutt for
geovitenskap)
93
Potencijal nekog podru�ja za korištenje geotermalne energije grubo se može ocijeniti preko temperaturnog gradijenta ispod površine zemlje. Prosje�an porast temperature iznosi manje od 30 stupnjeva Celzijevih na 1 km. Podru�je sa posebno dobrim potencijalom za korištenje geotermalne energije ima porast temperature oko 100 oC na 1 km. Me�utim, kod dobrih izvora gdje se geotermalna energija i koristi porast temperature može biti i viši. Temperaturni gradijent služi samo za pojednostavljeni prikaz jer je stvarno kretanje temperature ovisno o prirodi geotermalnog izvora i sastavu tla. Potencijal za korištenje geotermalne energije ovisi o dubini na koju treba bušiti, sastavu tla i prisutnosti te stanju vode. Kapacitetom unutrašnje kalori�ke energije prednja�e najteže iskoristive suhe vru�e stijene. Dostupne temperature se kre�u izme�u 150 i 300 oC na dubinama od 2,5 do 6 km. Najve�i problem korištenju predstavlja preuzimanje toplinske energije. Da bi se preuzela toplina potrebno je dovesti medij (npr. vodu) i ostvariti kontakt sa vru�im stijenjem. Postoje razne ideje o stvaranju pukotina, ali sve je još uvijek u istraživanju.
Slika 6.1.a Porast srednje temperature u ovisnosti o dubini prema [37]
94
Na drugom mjestu po kapacitetu i potencijalu korištenja su geotermalni izvori na velikim dubinama sa vodom pod velikim tlakom. Na dubinama od 2,5 do 9 km dostupne su temperature od oko 160 oC sa tlakovima preko 100 MPa. Pored problema sa velikim tlakom smetnju predstavlja i velika slanost (4-10%). Potencijal za kombinirano korištenje predstavlja zasi�enost prirodnim plinom - volumno pet puta više plina (najviše metana). Za iskorištavanje ovog potencijala još uvijek nedostaju tehnološka rješenja. Trenutno se koriste samo izvori do dubina od 5 km sa parom ili vodom na manjim tlakovima (do 0,8 MPa). Temperature su u rasponu od 90 pa sve do preko 300 oC. Ve�e vrijednosti su rje�e. Najpoželjniji su rje�i isklju�ivo parni izvori (npr. Geysers SAD i Larderello Italija) gdje para izlazi na temperaturi od oko 200 oC. Brojniji su izvori vode gdje voda izlazi sama ili se mora pumpati. Korištenje izvora vode i pare na nižim tlakovima ne zahtjeva posebnu tehnologiju za bušenje. Ipak, postrojenja moraju raditi u uvjetima velikih koncentracija otopina (i preko 25000 ppm).
6.2 Geotermalni resursi Korištenjem podataka dobivenih bušenjem, satelitskim snimanjem i modeliranjem mogu�e je procijeniti geotermalne resurse. Pri tome najvažniji su podatci o temperaturama, koli�ini vode/pare te o sastavu tla na nekom podru�ju. Geotermalne se resurse može klasificirati prema temperaturi: nisko temperaturni (ispod 90 oC), visoko temperaturni (preko 150 oC), a srednje temperaturni izme�u. Temperature odre�uju mogu�nosti korištenja i na�ine primjene. Samo visoko temperaturni izvori se smatraju ekonomi�nim i prakti�nim za proizvodnju elektri�ne energije. Procjena resursa se uobi�ajeno posebno iznosi za proizvodnju elektri�ne energije i za direktno korištenje toplinske energije. Dodatno se uzima u obzir sadašnje stanje tehnologije i predvidivo unapre�ivanje. Slike 6.3 i 6.3a koje slijede ilustriraju podloge za procjenu geotermalnih resursa u Europi i Hrvatskoj. Procjene su rezultat kombiniranja podataka dobivenih stvarnim bušenjima i modeliranjem uz pretpostavke o sastavu tla.
Slika 6.2. EU geotermalni potencijal (za suhe vru�e stijene na 5 km dubine) Najkonzervativnija procjena svjetskih resursa geotermalne energije prema (Cataldi 1999 [23]) iznosi 5000 EJ, od toga se smatra 10% potencijalno iskoristivim za 100 godina. Uz pretpostavku da je 75% ekonomski iskoristivo i da je 33% visoko temperaturnih izvora dobije se potencijal od 670 EJ godišnje za direktnu primjenu i 1,2 EJ godišnje za proizvodnju elektri�ne energije (uz faktor optere�enja od 82% to je 46 GWe snage).
95
Puno optimisti�nija procjena prema (Stefansson 2002 [24]) polazi od iste procjene geotermalnih resursa, ali bez pretpostavke o iscrpljivanju. Uz sli�ne ostale pretpostavke, bez umanjivanja od 25% za ekonomsku neiskoristivost, dobije se više od 125 puta ve�a procjena za proizvodnju elektri�ne energije i direktno korištenje.
Slika 6.3. Geotermalni potencijal u Hrvatskoj Za Republiku Hrvatsku najprije treba naglasiti da pola zemlje nema nikakav geotermalni potencijal dok pola predstavlja potencijal. Tako, dok južni dio zemlje ima ispodprosje�ni temperaturni gradijent (manje od 20 oC/km) na sjeveru je temperaturni gradijent iznad prosjeka (oko 50 oC/km sa varijacijama na posebnim lokacijama). Na temelju podatak iz stvarnih bušotina (oko 50 napravila INA) na dubinama od nekoliko km poznato je da potencijalni izvori imaju temperature vode od 40 do 170 oC. Prema tome se procjenjuje da je ukupni potencijal za proizvodnju elektri�ne energije skoro 50 MWe i direktno korištenje preko 800 MWt. Uz pretpostavku o faktoru optere�enja za proizvodnju el. en.od 80% to predstavlja potencijal za 0,35 TWh godišnje. Za direktno korištenje to je potencijal od oko 7 TJ godišnje.
96
6.3. Direktno korištenje geotermalne energije za grijanje Najjednostavniji i najperspektivniji na�in iskorištavanja geotermalne energije predstavlja direktno korištenje toplinske energije za razli�ite namjene u turizmu, poljoprivredi, industriji i komunalnom grijanju. Direktno korištenje može biti samostalno ili kombinirano. Kombinirati se može sa drugim (konvencionalnim) na�inima proizvodnje toplinske energije ili sa proizvodnjom el. en. iz geotermalnog izvora. Tablica ispod ilustrira neke mogu�e direktne primjene geotermalne energije. Dodatni primjeri za direktnu primjenu su npr.: prerada mesa (od 60 do 95 oC), proizvodnja sira (od 40 do 95 oC) i sušenje žitarica (od 50 do 150 oC).
Tablica 6.1 Direktne mogu�nosti korištenja geotermalne energije prema temperaturi izvora
T [oC]
Direktno korištenje geotermalne energije (ilustracija nekih primjena)
160 140
120
100 80 60 40 20
Svjetski kapaciteti za direktno korištenje geotermalne energije procjenjuju se na 15 GWt instalirane snage i 191 PJ korištene topline godišnje (2000.). EU je u 2006. direktno iskoristila skoro 90 PJ (uklju�uju�i toplinske pumpe) s 9 GWt instaliranih kapaciteta. Direktna primjena je najve�a za grijanje i odmah potom slijede kupališta, staklenici, ribogojstvo te industrija. Svaka zemlja ima svoje specifi�nosti ovisno ne samo o geotermalnom potencijalu ve� i o brojnim drugim faktorima. Island je poseban primjer stoga što za ukupne potrebe primarne energije koristi oko 55% geotermalnu energiju (121 PJ, 2005.). Na prvom mjestu je grijanje (oko 60% ukupne korištene GE), a zanimljivo je korištenje za otapanje snijega i leda u naseljima. Hrvatska najviše direktno koristi geotermalnu energiju za toplice i lje�ilišta (oko 114 MWt instaliranih kapaciteta), a manji dio za zagrijavanje (oko 37 MWt). Potencijal je zna�ajan za pove�avanje korištenja za toplice i komunalno grijanje. Veliki je potencijal za Hrvatsku primjena u poljoprivredi (proizvodnja u staklenicima), uzgoju riba te industriji (posebno prehrambenoj). Potencijalno važno iskustvo u ovom smjeru �e predstavljati izgradnja i korištenje lokacija Velika Ciglena i Lunjkovec-Kutnjak gdje se planira, uz zdravstvenu i turisti�ku namjenu, direktno koristiti toplinu za sušare, proizvodnju povr�a, uzgoj ukrasnog bilja, komunalno grijanje te jednim dijelom i proizvodnju elektri�ne energije. Mogu�nost „pumpanja“ topline iz okoline korištenjem lijevokretnog kružnog termodinami�kog procesa �esto se primjenjuje za grijanje (i hla�enje) u razvijenom svijetu. Tzv. toplinske pumpe �esto se spominju zajedno sa geotermalnim izvorom energije. Dok se vanjska prosje�na mjese�na temperatura zraka, za naše kontinentalno
97
podru�je, kre�e u rasponu od -5 do +25 oC temperatura tla ostaje približno konstantna (ovisno o podneblju od 6 do 8 oC) tijekom cijele godine ve� na dubini od 8 do 10 m. Razlika prema zraku je iskoristiva i na dubini od 2 m gdje je godišnji raspon od 3 do 10 oC za suho tlo i par stupnjeva šire za vlažno tlo. Takav odnos temperatura u tlu i potrebne unutrašnje temperature u ku�i ili zgradi predstavlja potencijal za isplativo i racionalno zagrijavanje (hla�enje) s koeficijentom djelovanja od 3 do 6 (omjer dobivene toplinske energije i uložene el. en.). Ukupna djelotvornost ovisi pokraj konstantne manje razlike temperatura i o korištenoj tehnologiji a posebno o konkretnoj izvedbi (horizontalno, vertikalno, podzemne vode i drugo). Korištenje toplinskih pumpi u razvijenom svijetu na daleko je ve�oj razini od situacije u Hrvatskoj. To se najprije odnosi na pojavu jeftinijih klima ure�aja sa mogu�noš�u crpljenja topline iz zraka koje imaju relativno mali koeficijent djelotvornosti. No, faktor preobrazbe je konstantniji i bitno bolji kod primjena sa korištenjem toplinskog spremnika u zemlje (nekoliko metara ispod površine). Slika 6.4 Tipi�na varijacija temperature
tla [38]
Geotermalna toplana
Potroša�i
Nalazište
Proizvodna bušotina
Povratna bušotina
Slika 6.5 Osnovni izgled geotermalnog postrojenja za komunalno grijanje [35]
Srednjatemp. u zemlji
LjetoZima
Lagano suho tloProsje�no tloVlažno tlo
Temperatura tla (oC)
Dub
ina
ispo
d po
vrši
ne (m
)
98
6.4. Korištenje geotermalne energije za proizvodnju elektri�ne energije Proizvodnja elektri�ne energije korištenjem geotermalnog izvora u principu je sli�na klasi�noj konverziji unutrašnje kalori�ke energije iz uobi�ajenih izvora toplinske energije (npr. ugljen). Sli�nost prestaje kada je rije� o �injenici da treba otkriti dobro geotermalno nalazište i da je za to potrebno napraviti bušotinu (ili više njih) od nekoliko km. Dodatno, kod geotermalnih izvora vrlo su rijetki sa parametrima medija blizu parametara klasi�ne termoelektrane. Trenutno se u svijetu koristi skoro 9 GWe10 instalirane snage geotermalnih elektrana (2005.) što predstavlja 0,2% ukupnih svjetskih kapaciteta za proizvodnju el. en. Prosje�ni faktor optere�enja iznosio je preko 70% i te su elektrane proizvele skoro 55 TWh el. en.. Europska unija ima ukupno 870 MWe instalirane snage geotermalnih elektrana (2007.) koje proizvode više od 9 TWh el. en. (prosje�ni faktor optere�enja 77%). Najkvalitetniji geotermalni izvori daju suhu paru visoke entalpije (temperature oko 240 oC) na ulazu u postrojenje. Takva postrojenja se po svojoj izvedbi i snazi (reda 100 MW) ne razlikuju zna�ajno od klasi�nih termoelektrana. Specifi�nost su centrifugalni separator ne�isto�a prije turbine i parni ejektor za uklanjanje nekondezibilnih plinova (do 10% mase; CO2, NH4 i H2S) iz kondenzatora. Za smanjivanje potrebnog rashladnog protoka tlak u kondenzatoru je relativno visok (~135 kPa) i to, uz relativno male temperature, dodatno umanjuje termi�ki stupanj djelovanja prema klasi�nim postrojenjima. Na svijetu ima malo primjera koji koriste izvore suhe pare (Lardarello11 u Italiji, Matsukawa u Japanu, Geysers u SAD i Kamojang na Javi). Cijena ovakvih postrojenja sa bušotinama dvostruko je iznad cijene konvencionalnih (oko 2000 €/kW). Srednje dobri i naj�eš�e korišteni geotermalni izvori daju na izlazu mokru paru. Temperatura fluida je preko 200 oC s velikim salinitetom (do 280e3 ppm). Separiranje pare se odvija u jednom, dva i rje�e tri stupnja. Broj stupnjeva se pove�ava za bolji ukupni stupanj djelovanja kod lošijih izvora. Kombinirani proces proizvo�enje el. en. i topline se koristi umjesto trostruke separacije pare. Cijena ovakvih postrojenja otprilike je 30% ve�a od onih sa suhom parom. Elektrane sa mokrom parom su manjih snaga (10-50 MWe) i koriste se u SAD, Japanu, Novom Zelandu, Meksiku i na Islandu. Ponajbolja nalazišta u Hrvatskoj dovoljno su dobra samo za korištenje najmanje djelotvornih i najskupljih postrojenja za konverziju geotermalne energije u el. en. s binarnim ciklusom. Ta se postrojenja služe Rankineovovim kružnim procesom, s organskim medijem (npr. amonijak, propan, izobutan ili freon 12), a toplina iz bušotine prenosi se preko izmjenjiva�a u kružni proces. Binarni ciklus se koristi za bušotine koje daju medij na temperaturi od 100 do 200 oC. Radni medij stoga mora imati nisku temperaturu isparivanja. Ovakva postrojenja imaju najmanje snage (do 10 MW). Njihova prednost je u odvajanju turbinskog dijela (kružnog procesa) od medija iz izvora i time smanjivanje korozije i taloženja. Uobi�ajeno za ovakve primjene su potrebne pumpe u proizvodnoj bušotini (za spre�avanje isparivanja medija u nalazištu). Cijena binarnih geotermalnih postrojenja sa bušotinama se procjenjuje na oko 3000 €/kW. Njihova
10 Od ukupno 23 zemlje koje proizvode el. en. iz geotermalne energije vode�i su Filipini (1900 MWe), SAD (1850 MWe), Meksiko (1000 MWe), Italija (700 MWe), Japan (600 MWe), Novi Zeland (400 MWe), Island (200 MWe) i Costa Rica (150 MWe) 11 Prva termoelektrana na geotermalnom izvoru sagra�ena je u Larderellu u Toskani 1904.
99
termodinami�ka efikasnost iznosi oko 8% (kod boljih rješenja i parametara nalazišta i do 15%). Slika 6.6 prikazuje shematski postrojenje s binarnim ciklusom.
Slika 6.6. Shematski prikaz binarne geotermalne elektrane Na spomenutoj lokaciji Lunjkovec-Kutnjak planira se izgraditi binarno postrojenje koje �e koristiti mješavinu vode i amonijaka u turbinskom krugu. Temperatura geotermalne vode je 140 oC, a protok od 53 do 70 l/s. Na povratku temperatura vode bit �e manja od 70 oC. Snaga elektrane na pragu �e iznositi od 1,85 do 2,47 MW ovisno o protoku. O�ekivana efikasnost, uz faktor optere�enja 90%, je 13%. Ovako visok stupanj djelovanja za tako nisku temperaturu nalazišta ostvaruje se tzv. Kalina ciklusom. Slika 6.7 prikazuje prednost Kalina ciklusa sa mješavinom vode i nisko-temperaturno hlapljivog medija u usporedbi sa ciklusom koji koristi jedan medij (Rankineov). Mješavina isparava na promjenjivoj temperaturi i to osigurava bolji prijenos toplinske energije, u izmjenjiva�u topline izme�u turbinske strane i strane geotermalnog izvora, što rezultira boljom efikasnoš�u. Postoje i kombinirana rješenja sa dvije turbine gdje jedna radi na separiranu paru, a druga na organski medij. Npr. elektrana Puna na Hawaii-ma snage 30 MWe ima 10 modula na kombinirani ciklus spojenih na jedan generator (315 oC na 0,1 MPa). Na kraju za pove�avanje snage i poboljšavanje termodinami�kog stupnja djelovanja zanimljiva su hibridna rješenja. Dodatni izvor toplinske energije predstavljaju fosilna goriva ili biomasa. Jedno rješenje je da se geotermalnom toplinom predgrijava pojna voda ispred generatora pare. Drugo rješenje koristi konvencionalno gorivo (ili biomasu) za pregrijavanje pare prije ulaska u turbinu. Za ekonomi�nost geotermalne elektrane iznimno je važna dugotrajna iskoristivost nalazišta. Ste�ena iskustva i prou�avanje pokazuju da se može ra�unati na 50 do 100 godina ekploatacije. Cijena korištenja se smanjuje i blizu je konkurentnosti fosilnim gorivima (4-8 €c/kWh) dijelom i standardizacijom i modularnoš�u korištene opreme.
Org
ansk
a pa
ra
Organskateku�ina
100
Slika 6.7. Unaprije�eni prijenos topline sa mješavinom vode i drugog medija 6.4. Zaklju�no Sastav vode/pare koja dolazi iz geotermalnog nalazišta zasi�en je agresivnim plinovima i tvarima koje stvaraju naslage na dijelovima postrojenja i potencijalno predstavlja prijetnju okolišu. Razvoj tehnologije smanjuje cijenu rješavanja navedenih problema, a primjena zatvorenog ciklusa �uva okoliš. Važan uvjet za to je vra�anje iskorištenog medija u nalazište. Ukoliko se sve opasne tvari vrate u nalazište ili na drugi na�in zbrinu jedini problem po okoliš ostaju stakleni�ki plinovi. To se primarno odnosi na CO2, metan i sli�no. Ispuštanja CO2 su skoro 10 puta manja u odnosu na konvencionalnu termoelektranu na ugljen (100 kg CO2/MWh). Metan i drugi sli�ni plinovi se mogu koristiti ili spaljivati. Prema svemu izgleda da je geotermalna energija obnovljivi izvor koji nema problema sa nestalnoš�u. Ograni�enje predstavlja �injenica da se može koristiti samo na mjestu gdje je nalazište. Ovo je veliki problem za direktno korištenje i potencijalno problem za mjesta koja nisu u blizini el. en. mreže. Trenutna razina korištenja geotermalne energije u raskoraku je sa potencijalom. Glavna prepreka je u relativno velikim kapitalnim ulaganjima (istraživanje nalazišta košta i preko 20% investicije). Za pretpostaviti je da �e daljnje poskupljenje fosilnih goriva i nastojanje da se smanje ukupne emisije stakleni�kih plinova pove�ati korištenje geotermalne energije. Zemlja poput Hrvatske sigurno ne može riješiti pitanje proizvodnje el. en. korištenjem geotermalne energije, ali može potražiti mogu�nost za dodatne ekonomske efekte posebno u direktnoj primjeni.
101
7. ENERGIJA POLOŽAJA VODE Energija položaja vode obnovljiva je zahvaljuju�i Sun�evoj energiji koja neprestano održava hidrološki ciklus. Uobi�ajeno je razli�ito vrednovanje velikih i malih hidroelektrana kada je rije� o utjecaju na okoliš. Premda sveobuhvatna istraživanja nisu dostupna uvriježen je pogled da se korištenje energije položaja vode u malim postrojenjima smatra ekološki prihvatljivijim. No, i za velika postrojenja se smatra da je njihov višestruki negativni utjecaj na okoliš nadomještava doprinos smanjenju emisije stakleni�kog plina CO2. Ovo poglavlje u nastavku opisuje prirodu i resurse energije položaja vode kako u svijetu tako i u Republici Hrvatskoj. Opisano je stanje i trend korištenja malih hidroelektrane (MHE). Potom su iznesene glavne zna�ajke za MHE. Na kraju je dan opis �eš�e korištenih vodnih turbina i generatora s napomenama o na�inu priklju�ivanja MHE na el. en. mrežu.
7.1. Hidroenergetski resursi Koli�ina vode i iskoristiv pad odre�uju potencijal za korištenje energije položaja vode. Padaline i tlo (konfiguracija i sastav) odre�uju obje zna�ajke. Uobi�ajeno je za neki vodotok prikazivati srednju vrijednost protoka u ovisnosti o nadmorskoj visini (tzv. Q-H dijagram). Za neku konkretnu lokaciju od zna�aja je poznavati vjerojatno trajanje odre�enog protoka vode i iskoristivi pad. Krivulja trajanja protoka nastaje iz mjerenja ili iz procjene. Samo dugotrajna mjerenja protoka mogu dati pouzdane podatke zbog velike varijabilnosti uslijed uobi�ajenih klimatskih varijacija. Slika 7.1 ilustrira krivulju protoka i krivulju trajanja protoka.
Slika 7.1 Krivulja protoka kroz godinu i krivulja trajanja protoka
Poznavanjem ili procjenom trajanja protoka i iskoristivih padova mogu�e je procijeniti hidroenergetske resurse. Uobi�ajeno se HE resursi dijele na ukupni (teorijski), tehni�ki i ekonomski iskoristive. Tehni�ki potencijal je nekoliko puta (npr. 3x) manji od ukupnog i nešto ve�i (npr. 30%) od ekonomskog. Kona�nu
QQ –– kkrriivvuulljjaa pprroottookkaa
QT – krivulja trajanja protoka
102
iskoristivost odre�uju ekološki, ekonomski i društveni faktori zbog kojih danas gotovo da više i nema daljnjeg korištenja HE u velikim postrojenjima razvijenih zemalja. Slika 7.2 ilustrira veliku varijabilnost protoka rijeke tijekom godine i još ve�u kroz više godina. Ovisno o vremenu topljenja snijega kod nižih planinskih podru�ja vršni protok se pojavljuje tijekom prolje�a, a kod viših tijekom ljeta. Varijabilnost protoka ima zna�ajan utjecaj na mogu�nost proizvodnje el. en. i ekonomi�nost postrojenja. Posebno kada je mogu�nost akumuliranja vode mala kao kod MHE.
Slika 7.2 Promjene srednjih mjese�nih protoka kroz više godina – primjer Rockenau/Neckar (lijevo) i Maxau/Rhine (desno) iz [35]
Ukupni tehni�ki potencijal (u TWh) je najve�i za Aziju (6940), a za ostale kontinente: Južna Amerika 2800, Afriku 1810, Sjeverna i Srednja Amerika 1815, Europa 1210 te Australoazija i Oceanija 310 TWh. Iskorištenost potencijala je najve�a (u TWh) apsolutno u Aziji (810), a relativno u Europi (625) i Sj. i Sr. Americi (760). Južna Amerika koristi 510 TWh, Autrolazija i Oceanija koriste 105 TWh, a Afrika 120 TWh (relativno najmanje), [8].12 Ukupno se u svijetu godišnje proizvodi skoro 3000 TWh elektri�ne energije iz preko 1000 GW HE. To predstavlja skoro 20% ukupne proizvodnje el. en. Samo pet zemalja pored Hrvatske proizvodi oko 50%13 ili više el. en. iz HE.
12 Varijabilnost proizvodnje iz HE je ovdje zanemarena. 13 To su Norveška 99%, Brazil 83%, Venezuela 71%, Kanada 57% i Švedska 40% (za HR to je postotak vlastite proizvodnje bez uvoza).
103
Hrvatska je imala 2006. instalirano preko 50% kapaciteta za proizvodnju elektri�ne energije u hidroelektranama (2056 MW, prema [36]) iz kojih se proizvodi godišnje oko 6±1 TWh ovisno o hidrologiji. Male HE se definiraju prema snazi i do 25 MW. Sve više prihva�ena granica je 10 MW14. Prema podatcima za 2005. u svijetu je instalirano oko 66300 MW15 malih HE. Male HE proizvode ukupno skoro 2% el. en. (najviše od svih tzv. novih obnovljivih). Od svih instaliranih MHE preko 20% je izgra�eno u EU – 17400 jedinica, a oko 60% u Aziji. Smatra se da je u EU iskorišteno oko 60% ekonomski isplativih resursa. Hrvatska ima u pogonu 15 MHE ukupne snage 24 MW što predstavlja oko 15% procijenjenih ekonomski isplativih resursa. Samo 4,083 MW u MHE nije u sastavu HEP grupe (�etiri MHE snage od 1,64 MW Roški Slap do 8 kW �abranka [36]).
14 Postoje i dodatne podjele za najniže snage, npr.: nekoliko, desetak ili 100 kW – piko, mikro i mini HE. No, npr. u Švicarskoj je sve ispod 300 kW mala HE 15 Oko 80% MHE u EU je izme�u 1 i 10 MW snage.
104
7.2. Snaga i energija HE Osnovna razmatranja vezana za snagu i energiju HE se ne mijenjaju s veli�inom postrojenja. Snaga i energija koju nosi sa sobom promjena položaja vodene mase može se izraziti preko Bernoullijeve jednadžbe za jednodimenzionalno stacionarno strujanje bez vrtloženja uklju�uju�i trenje preko iznosa gubitaka. �esto se u hidromehanici koristi Bernoullijev izraz u kome su svi elementi izraženi preko visina:
� m .2
2
konsthg
chgp
r �����
(7.1)
gdje je: gubitaka. a visinhen.), (kin. brzine visina
2g
visina,geodetskah tlaka, visina
r
2cgp�
Prakti�no je sve gubitke prikazati kroz gubitke visine ili stupanj djelovanja. Energija vode ovisi o promjeni položaja i o djelotvornosti pretvorbe. Posebno je zanimljiv izraz za energiju (i snagu) koji sadrži protok vode. Izraz 7.2 prikazuje energiju promjene položaja vode iz kojeg se može odrediti raspoloživa snaga u funkciji protoka i neto pada (visine, izraz 7.3).
ghdtAvmghWt
���0� (7.2)
ghQAvQghAvdt
dWP �� ����� (7.3)
Znamo li stupanj djelovanja za neku HE pri odre�enom protoku i neto visini možemo izra�unati njenu snagu:
][81,9 kWQhQhgP uu ��� �� (7.4) Važno je naglasiti ovisnost neto visine o protoku obzirom na profil ispred i iza zahvata HE te ovisno o biološkom minimumu i preljevu. Slika 7.3 ilustrira krivulju trajanja snage HE u ovisnosti o protoku kroz postrojenje, padu i ukupnom protoku. Slika uklju�uje i ovisnost stupnja djelovanja o protoku koji odre�uje produkt stupnjeva djelovanja vezanih za gubitke na zahvatu, dovodu i odvodu, te za gubitke u turbini. Najzna�ajniji gubitci u turbini ovise o vrsti turbine i to je u nastavku dodatno opisano. Snagu HE, kod pojedinog protoka, mogu�e je stoga precizno odrediti samo ako se poznaju navedene ovisnosti gubitaka o protoku. Ra�unanje ukupne energije je prema tome integral snage kroz odre�eno vremensko razdoblje:
hdtQWt
��0
81,9 � (7.5)
Kod prora�una ukupne energije mogu se postavljati razli�ita pojednostavljenja, kod kojih treba uzeti u obzir da je HE uvijek dimenzionirana za neku nazivnu snagu odnosno da ima instalirani odre�eni protok (to�ka nazivnih parametara u
105
ilustraciji dolje). Ra�unanje snage i energije HE sa protokom koji premašuje instaliranu vrijednost daje krive rezultate.
Pro
tok
Q
Sna
ga P
, pad
h
Slika 7.3 Ilustracija krivulje trajanja snage u ovisnosti o protoku kroz postrojenje,
padu i ukupnom protoku
106
7.3. Hidroelektrane Korištenje energije položaja kao izvor mehani�ke energije (za mlinove, navodnjavanje, pilane, kova�nice i drugo) poznato je stolje�ima prije novog doba. Pred kraj 19. st. po prvi puta16 je korištena energija položaja vode za proizvodnju el. en. Može se re�i da su male HE nakon 125 ponovo postale zanimljive. Mala HE može sadržavati sve elemente koje ima veliko postrojenje. Razlika je najve�a u znatno manjoj potrebi za ekstenzivnim hidrološkim i topološkim studijama te u relativno malom obimu potrebnih gra�evinskih radova. Ovo posebice vrijedi za male proto�ne HE, ali zna�ajno je i kod rješenja s akumulacijom. Razlog navedenih razlika dijelom je u manjem korištenju protoka, a dijelom i u mogu�nosti primjene inovativnih fleksibilnih rješenja. Primjerice dovodni kanal se može probušiti kroz zemlju, a prepreka u vodotoku može biti gumena i adaptivna za razne protoke. Slika 7.4. ilustrira raznolikost mogu�nosti izvedbi malih HE.
Slika 7.4. Mogu�e izvedbe malih HE
Za sve izvedbe potrebni su zahvat, dovod, postrojenje i odvod. Ovisno o specifi�nosti izvedbe potrebna je pregrada (brana), vodna komora, tla�ni cjevovod, zaštita od hidrauli�kog udara te zaustavni ventili. Postrojenje se uvijek sastoji od turbine,
16 Prve HE: Bavarska 1876., Brazil 1Sj. Irska 1883 (39 kWe za el. vlak),
107
generatora el. en., rasklopnog postrojenja te sustava kontrole, zaštite i nadzora cijele MHE. Pregrada ili brana za MHE se naj�eš�e izvodi tako da osigura minimalni utjecaj na tok vode i život u njoj. Zanimljiva su tzv. kombinirana rješenja od gume i sl. gdje se veli�ina pregrade mijenja koli�inom napuhanog zraka ili vode. Sva rješenja brana trebaju imati posebno izvedene mogu�nosti reguliranja preljeva i �iš�enja nakupina sitnih i krupnih naslaga na rešetkama kod zahvata vode. Kod izvedbi gdje se ne održava konstantan pad pregrade se mogu izvesti bez pokretnih dijelova. MHE mogu biti izvedene (ovisno o padu) kao nisko (do 20 m), visoko tla�ne (preko 100 m) i srednje (izme�u). Prema tome kako su postavljene u odnosu na rije�ni tok MHE mogu biti proto�e i derivacijske. Ova podjela je identi�na kao i za velike HE.
Odre�ivanje gubitaka dovoda Na putu od zahvata do turbine potencijalna energija vode dijelom se izgubi uslijed nepovratljivih procesa. Za strujanje u kanalu ili cijevi vrijedi Bernoullijeva jednadžba preko koje se mogu izraziti gubitci. Kod primjena se koristi prakti�an Darcy-Weisbach izraz koji prikazuje gubitke pada u ovisnosti o duljini i promjeru dovoda, brzini protoka i faktoru f :
gv
Dlfhg 2
2
� (7.6)
Gubitci se odre�uju tako da za odre�eni dovod znamo brzinu protjecanja vode i faktor f17. Ovaj faktor se može izra�unavati prema podatcima proizvo�a�a i karakteristikama izvedbe cijevi ili kanala u ovisnosti o brzini protoka.
Pomo�ne MHE Postrojenja za proizvodnju el. en. koja se ugra�uju npr. u vodovodne ili kanalizacijske sustave naziva se pomo�nim MHE. Tu se mogu ubrojiti i postrojenja ugra�ena u sustave za regulaciju vode kod obrane od poplava ili u pomo�nim odvodima kod derivacijskih HE.
17 Kod Darcy-Weisbach izraza za gubitak tlaka (množenje gornjeg izraza sa g/�) f je koeficijent za laminarni ili turbulentni protok. Kakav je protok odre�uje Reynoldsov broj (omjer brzine, promjera cijevi i gusto�e s koeficijentom viskoziteta). Protok je laminaran sve dok Reynoldsova broj ima vrijednost ispod 2000, kod vrijednosti iznad 3000 protok je turbulentan, a izme�u nestabilan.
108
7.4. Turbina i generator male HE Turbina i generator predstavljaju dvije najvažnije aktivne komponente HE. Principi djelovanja i izbor turbine i generatora sli�ni su kao i za velike HE. Zna�ajna je razlika u tom što se za MHE turbine i generatori ne proizvode posebno za svaku izvedbu. Za MHE postoji veliki izbor gotovih vrsta i veli�ina turbina i generatora.
7.4.1. Turbina Voda u pokretu prolaskom kroz turbinu prenosi mehani�ku energiju na osovinu. Ovisno o uvjetima koji vladaju oko lopatica turbine postoji veliki broj razli�itih izvedbi da bi se postigla efikasnija pretvorba energije. Najpoznatije turbine kod velikih postrojenja su Pelton, Francis i Kaplan. Za mala postrojenja postoji veliki broj dodatnih izvedbi od kojih je poznatija Michel-Banki (s popre�nim tokom). Turbine za MHE se rade serijski, a postoje i primjene s pumpama zbog ekonomi�nosti. Razlika turbina u principu djelovanja odražava se na optimalni raspon protoka i padova za stupanj djelovanja. Slika 7.5. prikazuje podru�je primjene razli�itih vrsta turbina prema protoku i padu. Uo�ljivo je da poznate vrste turbina pokrivaju podru�je primjene za velika i mala postrojenja. Turbine s popre�nim protokom i Turgo pokrivaju podru�je padova i protoka za male HE (isto vrijedi i za veliki broj razli�itih vrsta turbina koje nisu prikazane na slici).
Slika 7.5. Podru�je primjene razli�itih vrsta turbina – prema protoku i padu
Za velike padove najprimjerenija je Pelton turbina (kod MHE od 20 m). Kod srednje velikih padova primjerena je Francis turbina (od 3 do 600 m). Na malim padovima i za ve�e protoke najbolje je koristiti Kaplan turbinu (za vertikalnu izvedbu od 10 do 60 m, a za horizontalnu od 2 do 20 m). Turbina s popre�nim protokom (Michel-Banki) se koristi
109
kod padova od 1 do 200 m. Vidljivo je da se podru�ja primjene uvelike preklapaju te se odluka o izboru temelji na ekonomskim i drugim tehni�kim parametrima. Svaka turbina ima maksimalan stupanj djelovanja pri instaliranom protoku (ili u blizini). Ovisno o vrsti turbine stupanj djelovanja se manje ili više smanjuje sa smanjivanjem protoka vode. Slika 7.6. prikazuje promjenu stupnja djelovanja za odabrane turbine. Vidljivo je da Kaplan i Pelton turbine imaju stupanj djelovanja koji je dobar i stabilan u velikom rasponu protoka. Ovakva karakteristika ima svoju cijenu.
Slika 7.6. Promjena stupnja djelovanja turbina u ovisnosti o protoku vode
Brzina vrtnje turbine op�enito je ovisna najprije o izvedbi, a potom o padu i protoku vode. Vezu izme�u specifi�nog broja okretaja ns jedini�ne18 modelne turbine i broja okretaja turbine koja ima protok Q i pad H prikazuje izraz 7.7.
4/3
2/1
HQnns � (7.7)
Za Pelton turbinu specifi�ni broj okretaja ide do 30, Francis ima ns od 20 do 120, kod Kaplan (vertikalne) to je od 180 do 260 i za Michel-Banki specifi�ni broj okretaja ide od 30 do 210. Michel-Banki turbina ima posebnu izvedbu dotoka i lopatica da može raditi na tre�ini i na dvije tre�ine protoka s karakteristikom efikasnosti kao da radi na nazivnom protoku. Na slici 7.5 je to ilustrirano s Qo/3 i 2Qo/3 krivuljama efikasnosti. Time se za turbinu s popre�nim protokom postiže optimalan stupanj djelovanja kroz cijeli opseg protoka vode: voda ide preko cijele turbine kada je protok ve�i od 2/3 nazivnoga, za protoke ispod tre�ine nazivnog voda ide samo preko odvojenog dijela tre�ine presjeka turbine i na kraju za
18 Jedini�na modelna turbina ima protok od 1 m3/s na padu od 1m.
2Q/3
Q/3
Q
110
protoke izme�u voda se usmjerava na drugi dvotre�inski dio presjeka turbine. Pelton turbinu odlikuje rad sa slobodnim mlazom vode (akcija energije položaja vode pretvorena u koneti�ku energiju) pri približno atmosferskom tlaku. Kod izvedbi s više mlazova situacija s tlakovima je nešto složenija. Male Pelton turbine mogu raditi ekonomi�no ve� i s protocima od 30 l/s uz pad od 20 m. Da bi se smanjilo aksijalne sile kod ve�ine modernijih izvedbi lopatice turbine su oblikovane tako da razdvajaju mlaz. Za optimiranje efikasnosti i osiguravanje slobodnog otjecanja vode nakon lopatica potrebno je osigurati ispunjavanje Masonyieva kriterija da omjer promjera lopatica (D) bude 10 puta ve�i od promjera mlaza (a). Kod promjene optere�enja ili potrebe za naglim zaustavljanjem turbine potrebno je zaustaviti ili preusmjeriti mlaz od lopatica. Promjena smjera mlaza vode je bolje rješenje jer naglo zaustavljanje protoka može izazvati tzv. vodni udar. Ponekad se primjenjuje i protumlaz kao vodna ko�nica. Jednostavnost izvedbe i pristupa osigurava lagano održavanje Pelton turbine.
Francis turbina se može instalirati horizontalno ili vertikalno. Horizontalna izvedba ima prednost zbog spajanja s generatorom. Vertikalna izvedba je skuplja jer zahtijeva ve�i prostor, ima ve�u ukupnu masu postrojenja i dodatno je složenija za održavanje. Francis turbina ima niz nedostataka u odnosu na Pelton izvedbu: osjetljivija je na problem kavitacije i na ne�isto�e u vodi; efikasnost zna�ajno opada kod manjeg protoka od nazivnog (ovisno o izvedbi ve� kod 50% instaliranog protoka pada blizu 0,6); pogon nije stabilan kod protoka manjeg od 40% instaliranoga; brzo zatvaranje protoka izaziva ve�i vodni udar te je potrebno bolje dimenzionirati dovodnu cijev; kompleksnija izvedba i kontrola zahtijevju složeno održavanje. Prednost Francis turbine u odnosu na Pelton je u iskorištavanju kompletnog pada. Iskustveni podatci o brzini okretanja Francis turbine za padove od 10 do 50 m su izme�u 900 i 1200 min-1, a za ve�e padove i do 1500 min-1.
Kaplan turbina se koristi za male padove ili za proto�ne HE. Prednost Kaplan turbine prema drugim sli�nim izvedbama za male padove (npr. bulb, propeler, S i Straflo) je u manjoj cijeni i u pozicioniranju elektromehani�kog dijela izvan vode (lakše održavanje i sigurnije kod poplavljanja). Utjecaj na okoliš izvedbi s Kaplan turbinom je manji
D
a
111
zbog nepostojanja akumulacije i manjeg zauzimanja prostora. Ovisno o protoku (reguliran ili varijabilan) postoje izvedbe sa fiksnim i pomi�nim krilcima lopatica rotora (ve�a efikasnost). Dvostruka regulacija osigurava dobar stupanj djelovanja za veliki rasopn protoka (do 30% instaliranog protoka).
Michel-Banki turbina (crossflow – popre�na; s radialnim potiskom) za razliku od ostalih ima primjenu samo kod MHE (do 0,8 MW). Kod primjene protoci se kre�u izme�u 25 i 700 l/s. Rotor se dijeli na 26 do 30 pregrada ovisno o promjeru (od 0,2 do 0,6 m). Turbina se instalira sa slobodnim otjecanjem vode ili sa nastavkom (difuzor) za korištenje cijelog pada. Posebnost podjele rotora na 1/3 i 2/3 za efikasnije korištenje manjih protoka od nazivnoga je ve� prije spomenuta (slika na prethodnim stranicama). Varijabilni kapacitet protoka osigurava rad i na 20% instaliranog protoka. Ovo je važno za veliki broj potencijalnih lokacija za vrlo male HE s jako promjenjivim protokom. Dodatna prednost Michel-Banki turbine je brzo sastavljanje, manji zahtjevi na izvedbu postrojenja (gra�evinski radovi) i lagan pristup svim dijelovima za održavanje. Vodno kolo povezano je s najstarijim na�inom korištenja energije položaja vode. Zanimljivo je da i danas vodno kolo ima veliki broj prednosti kod vrlo malih HE. Najprije vrlo je veliki broj lokacija koje imaju relativno mali pad i umjerenu snagu (<5 m, do 75 kW). Potom, vodno kolo predstavlja dobar kompromis izme�u proizvodnje i o�uvanja okoliša. Pogon je neometan prljavštinama u vodi. Tijekom rada se ostvaruje samoregulacija momenta promjenom koli�ine zahva�ene koli�ine vode. Nedostatak vodnog kola je mala kutna brzina (do 8 min-1) koja zahtjeva multiplikator brzine (prijenos ili remen) prema generatoru (~1:20) što izaziva dodatne gubitke. Pokraj toga potreba za reguliranjem brzine komplicira veliku jednostavnost izvedbu. Osnovne izvedbe vodnog kola su povezane s mjestom gdje se prihva�a voda. Kod gornjeg prihva�anja vode pad mora biti barem jednak promjeru kola. Snaga se prema tome može izraziti korištenjem izraza (2.4). Stupanj djelovanja je oko 60% (dostiže i do 80%), a pad odre�uje razlika visine vode ispred i iza vodnog kola. Sli�no se razmatranje može provesti i za izvedbe s donjim prihvatom vode. Vodna kola se mogi koristiti za izvedbe koje imaju pad do 10 m i protoke do 2 m3/s. Vodne pumpe kao turbine za vrlo male HE dosta se �esto primjenjuju. Osnovni razlog tome je u �injenici da su vrlo jeftine (masovna proizvodnja) i lako se nabavljaju s velikim varijacijama karakteristika. Njihov nedostatak je u manjoj efikasnosti i ve�oj osjetljivosti na kavitaciju i radni raspon. Glavni problem predstavlja nemogu�nost kontrole protoka. Primjena je stoga najjednostavnija s konstantnim protokom. Uvjete promjenjivog protoka je mogu�e rješavati na razli�ite na�ine, npr.: dodatna manja pumpa, ili elektronska kontrola (tereta).
112
7.4.2. Generator Rješenja MHE za samostalni rad moraju imati sinkroni generator što poskupljuje izvedbu. Male HE koje su priklju�ene na mrežu naj�eš�e koriste jednostavni asinkroni generator. Izvedbe vrlo malih snaga (ispod 100 kVA) se priklju�uju na niskonaponsku mrežu (0,4 kV), a za ve�e snage se radi priklju�ak na srednjenaponsku mrežu (10/20 kV). Potrebno je osigurati faktor snage iznad 0,9. Treba voditi ra�una o strujama kratkog spoja, prenaponskoj zaštiti, zaštiti od napona dodira i ponovnom automatskom uklju�ivanju. Sve izvedbe trebaju imati nadstrujnu, podnaponsku i zaštitu od kratkog spoja. Za snage iznad 0,25 MVA treba dodati i zaštite generatora od zemnog spoja i povratne snage (sinkroni generator). Mjerenje el. en. (radne i jalove u oba smjera) i brojnih drugih veli�ina obvezno je i potrebno za dobar i autonoman rad male HE.
7.5. Zaklju�no Kod dimenzioniranja male HE (posebice turbine i generatora) važno je paziti na ekonomi�an odabir. To je mogu�e napraviti samo kada se poznaje krivulja trajanja iskoristivog protoka, krivulju ovisnosti pada o protoku, gubitke na dovodu u funkciji protoka, ovisnost efikasnosti turbine o protoku, obim gra�evinskih radova, mogu�nost iskorištavanja proizvedene el. en. (oto�ni rad ili ograni�enje povezanosti sa mrežom). Investicijski troškovi ovise o lokaciji i nazivnoj snazi: za snage ispod 200 kW iznose oko 9000€/kW, a za snage oko 1 MW oko 5000€/kW. Kod obnavljanja i moderniziranja cijene su višestruko niže. Djelomi�no kao i s velikim HE prepreku ve�em korištenju MHE predstavlja otpor javnosti zbog brige za okoliš. Ovaj otpor je proporcionalan razvijenosti društva. Posebno pitanje su ribe u vodotoku te je za njih potrebno osigurati dovoljan slobodan protok ili povezanost vodotoka ispred i iza pregrade. Dobrim rješenjima MHE mogu dijelom smanjiti potrebu za fosilnim gorivima, a integriranim pristupom pomo�i kod navodnjavanja i zaštite od poplava. Male HE mogu pozitivno djelovati na sigurnost i pouzdanost opskrbe el. en. u radu na mreži. Slabe naponske prilike se mogu poboljšati na krajevima mreže. Mogu� je i negativan utjecaj na kvalitetu napona (izobli�enja). Važno je paziti na koordinaciju zaštite i �injenicu da distribucija sada ima i izvor. Malim HE je mogu�e riješiti napajanje udaljenih lokacija od mreže. Problem predstavlja varijabilnost dostupnih protoka jer su akumulacije vrlo male ili ih uop�e nema. Ukupno MHE ne predstavljaju veliki potencijal, ali to je obnovljiv potencijal, mogu�e je koristiti vlastita rješenja i dijelom smanjiti ovisnost o uvozu el. en.
113
Literatura: [1] Damir Šljivac, Zdenko Šimi�: „Osnove energetike i ekologije“, „Dopunski izvori energije“,
predavanja, ETF Osijek, 2004. – 2007. godine [2] Lajos Jozsa: Energetski procesi i elektrane, udžbenik ETF Osijek, 2006. godine [3] Božidar Udovi�i�: Energetika, Školska knjiga, Zagreb, 1993. [4] Marijan Kalea: Nekonvencionalni izvori energije, predavanje, ETF Osijek, 2006. godine [5] Ranko Goi�: «Op�a energetika», predavanja, FESB Split, 2006. [6] European Commission, Directorate-General for Energy and Transport: „COM 2001/77/EC:
Directive on Electricity Production from Renewable Energy Sources” [7] EUrObserver ER 2006, EUrObserver ER 2007 [8] EU RES Export Masterplan 2002 [9] http://data.ecmwf.int/data [10] http://www.inhabitat.com [11] http://www.volker-quaschning.de/articles [12] http://www.wbdg.org [13] http://www.q-solar.com [14] Dizdarevi�, N., Majstorovi�, M., Žutobradi�, S., "Pogon vjetroelektrana", HK CIGRE, Cavtat,
2003., C6-23 [15] Utjecaj vjetroelektrane na naponske i strujne prilike u elektroenergetskoj mreži, Energetski
institut „Hrvoje Požar“, Zagreb, velja�a 2003 [16] Gjengedal, T., Henriksen, M., "Large scale integration of wind power and the impact on
power systems", CIGRE, Paris, 2004., C1-206, [17] Jenkins, N., Allan, R., Crossley, P., Kirschen, D., Strbac, G., "Embedded generation", The
Institution of Electrical Engineers, London, 2000. [18] Udovi�i�, B., "Energija i izvori energije", Gra�evinska knjiga, Beograd, 1988. [19] Energija i tehnologija d.o.o.- kogeneracijsko postrojenje na biomasu – sustav Eniteh,
www.eniteh.hr [20] Svjetska organizacija biodizela, http://www.nationalbiodieselboard.org/resources/ ili
http://www.biodiesel.org [21] www.greenenergy.hu/ime/publikacio/phare/Pichler.htm [22] M., Kaltschmitt, Evaluierung der Möglichkeit zur Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz,
Institut für Energetik und Umwelt, Projektnummer 323 20002, 2005. [23] Cataldi, R., Geothermal energy development in Europe to year 2020: prospects or hopes?
Technica Poszukiwan Geologiczncyhc, 4-5, 1999, 48-59. [24] Stefansson, V., Global perspective on geothermal energy. Submitted to IEEE, 2002. [25] Igor Raguzin, Domagoj Validži�,Ivan Kezele: „Novi propisi za obnovljive izvore energije“,
�asopis EGE, 2/2007. [26] Zakon o energiji, Narodne novine 68/01, Zagreb, 2001. [27] Zakon o tržištu elektri�ne energije, Narodne novine 68/01, Zagreb, 2001. [28] Strategija energetskog razvitka Republike Hrvatske (NN 38/2002) [29] Nacionalna strategija zaštite okoliša (NN 46/2002), [30] Uredba o minimalnom udjelu elektri�ne energije proizvedene iz obnovljivih izvora energije i
kogeneracije �ija se proizvodnja poti�e (NN 33/2007) [31] Tarifni sustav za proizvodnju elektri�ne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije
(NN 33/2007) [32] Pravilnik o korištenju obnovljivih izvora energije i kogeneracije (NN 33/2007) [33] Uredba o naknadama za poticanje proizvodnje elektri�ne energije iz obnovljivih izvora i
kogeneracije (NN 33/2007) [34] Nacionalni energetski programi, Uvodna knjiga, Energetski institut "Hrvoje Požar", Zagreb,
1998. [35] M. Kaltschmitt, W. Streicher, A. Wiese, Renewable Energi – Technology, Economics and
Environment, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007 [36] EIHP, Energija u Hrvatskoj 2006, Ministarstvo gospodarstva, rada i poduzetništva 2007. [37] Wohletz, Kenneth, and Grant Heiken. Volcanology and Geothermal Energy. Berkeley:
University of California Press, 1992. http://ark.cdlib.org/ark:/13030/ft6v19p151/
114
[38] Clean Energy Project Analysis: RETScreen Engineering & Cases, Natural Resources Canada, 2005
[39] N. Dizdarevi�, M. Majstorovi�, S. Žutobradi�, Distribuirana proizvodnja elektri�ne energije, Energija br. 5, str. 321-339, 2003.
[40] V. Poto�nik, Z. Komeri�ki, M. Magdi�, Mali termoenergetski objekti, II savjetovanje hrvatskog komiteta CIGRE, Šibenik – Primošten, 1995.
Related Documents
