elektrohemijski i biooobnovljivi izvori energije 2014

TEHNOLOKO-METALURKI FAKULTET BEOGRAD

Branimir N. Grgur

ELEKTROHEMIJSKI I BIOOBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE

SINOPSIS PREDAVANJA SAMO ZA INTERNO KORIENJE

Elektrohemijski i bioobnovljivi izvori energije

1

1. UVOD Upotreba neobnovljivih izvora energije (ugalj, nafta i derivati nafte) od industrijske revolucije krajem 18 i poetkom 19 veka, a koja traje i danas je dovela do enormne emisije gasova koji formiraju efekat staklene bate. Efekat nastaje na slian nain kao u stakleniku, gde Sunevi zraci vidljivog i ultraljubiastog dela spektra prodiru kroz staklo i greju tlo ispod stakla. Tlo potom emituje infracrveno zraenje koje ne moe proi kroz staklo, zadrava se i tlo ostaje zagrejano. Usled toga je u staklenicima mnogo toplije nego izvan njih. Na slian nain se ponaa i planeta Zemlja ukoliko postoji neka materija koja e se ponaati kao stakleni krov. Prilikom izbacivanja iz fabrikih dimnjaka i auspuha automobila ugljen-dioksid i ostali tetni gasovi (azotni-oksidi, metan, freoni) formiraju omota oko Zemlje koji proputa toplotnu energiju da prodre do povrine ali ne i da se vrati u vasionu. Na ovaj nain povrina Zemlje postaje sve toplija i iz godine u godinu temperature su sve vie.

Osnovni gasovi koji formiraju staklenu batu su ugljen-dioksid, vodena para, metan, kao i sumporni i azotni oksidi. Takoe, razliite hlorovane ili fluorovane organske supstance (freoni) koje se koriste u rashladnim ureajima i za punjenje sprejeva dovode do unitavanja ozonskog omotaa koji u znaajnoj meri spreava prolazak izuzetno tetnog UV zraenja do povrine Zemlje. Smatra se da najvie posledica na globalno zagrevanje imaju:

1) Ugljendioksid (CO2) smatra se da ovaj gas uestvuje sa oko 50 55% u globalnom zagrevanju. Osnovni razlog poveanjam koncentracije ovog gasa u atmosferi je sve vee korienje fosilnih goriva (ugalj, nafta, gas) i sea uma. 2) Hloro-fluorougljenici (CFC) uestvuju sa oko 25% u globalnom zagrevanju. CFC jedinjenja se koriste za pravljenje plastinih masa i u rashladnim ureajima. 3) Metan (CH4) oko 12% uea, nastaje raspadanjem organskih jedinjenja i tokom varenja hrane biljojeda preivara, ali najvea koliina metana u atosferi potie iz industrijskih postrojenja 4) Azot (I) oksid uestvuje sa 6% u globalnom zagrevanju. Najveim delom se oslobaa u industriji, ali velike koliine ovog gasa se oslobode i u vulkanskim erupcijama

Na donjoj slici je kao primer prikazan porast koncentracije ugljen-dioksida u atmosferi

za proteklih pedesetak godina.

Slika 1. Promena koncentracije ugljen-dioksida u atmosferi tokom proteklih 50 godina


2

Kao to se sa slike moe videti porast koncentracije ugljen-dioksida je za vie od 20%, to je glavni razlog koji dovodi do inicijalnog globalnog zagrevanja i do promene klime. Inicijalno globalno zagrevanje dovodi do breg isparavanja vode sa vodenih povrina i do daljeg ubrzanja zagrevanja to dovodi do lanane reakcije koja se teko moe usporiti i predvideti.

0oC je na bazi proseka za period 1961-1990 god. Ukljuujui jo i porast koncentracije azotnih i sumpornih oksida (iz termoelektrana i

prevoznih sredstava), kao i metana od velikog broja vetaki uzgojenih preivara (broje se milijardama) parametri globalnog zagrevanja i klimatskih promena postaju nepredvidivi. Ove klimatske promene se mogu ve danas primetiti u znaajnoj meri u pojavama uestalih uragana, poplavama i ostalim vremenskih nepogodama, topljenju leda na polarnim kapama i gleerima to dovodi do porasta visine mora i okeana, nemogunost tanog predvianja vremenske prognoze i sl.

Porast koncentracije gasova staklene bate od 1978 godine.

Poto su sve ove promene povezane sa naruavanjem dinamike ravnotee atmosfere Zemlje, cilj ovoga predmeta je da ukae na neke mogunosti smanjenja emisije gasova koji izazivaju ove klimatske promene, konverzijom i skladitenjem obnovljivih izvora energije.


3

2. ELEMENTARNI POJMOVI I DEFINICIJE 2.1. Uvod u obnovljive izvore energije. 2.1.1. Direktno pretvaranje razliitih vidova energije u elektrinu i toplotnu energiju

Osnovni vidovi energije koji omoguavaju funkcionisanje dananje civilizacije su uglavnom toplotna i elektrina energija, koje se u daljim tehnolokim postupcima (konverzija energije) primenom odreenih konvertora mogu pretvarati u ostale vidove energije.

Toplotna i elektrina energija se danas u velikom procentu dobijaju iz neobnovljivih izvora energije.

Pod pojmom neobnovljivih izvora energije se podrazumevaju svi potencijalni nosioci nekog vida energije koji su jednom stvoreni (u davnoj Zemljinoj prolosti) ali se za sada ne mogu obnoviti. Takvi nosioci energije su ugalj, nafta i derivati nafte, prirodni gas, fisiona (nuklearna) goriva. Hidro energija je delimino obnovljivi izvor, poto se njihova koliina moe menjati tokom vremenu.

ugalj = sagorevanje nafta = sagorevanjeprirodni gas = sagorevanjenuklearno gorivo= fisija

toplota

parnikotao

pregrejana vodena para

turbina

generator elektricne energije

potencijalna energija vodotokova - hidro energija

gasovistalene baste,RA zarcenje

TOPLOTNAENERGIJA

ELEKTRICNAENERGIJA

Slika 2.1. Pretvaranje potencijalne hemijske energije neobnovljivih izvora u razliite vidove energije.

Veoma bitna osobina razliitih konvertora je stepen iskorienja, odnosno korisnog dejstva, 1. Pri tome za ukupni proces konverzije stepen korisnog dejstva je dat kao:

n

ii

1uk

U tabeli su dati tipini stepeni iskoriemja nekih konvertora energije.


4

Konvertor Konverzija Stepen korisnog dejstva

Gasna turbina Hemijska/mehanika 0.30 Parna maina Hemijska/mehanika 0.1 Parni kotao (industijski) Hemijska/toplotna 0.85 Parna turbina Toplotna/mehanika 0.45 Elektrini greja Elektrina/toplotna 1 Elektrino motor Elektrina/mehanika 0.90 Elektrino generator Mehanika/elektrina 0.95 Automobilski motor Hemijska/mehanika 0.25 Kuna pe na gas Hemijska/toplotna 0.85 Kuna pe na ugalj Hemijska/toplotna 0.55 Kuna pe na lo ulje Hemijska/toplotna 0.65 Obina sijalica Elektrina/svetlosna 0.05-0.1 Fluorescentna sijalica Elektrina/svetlosna 0.2 Baterija Hemijska/elektrina 0.95

Tako na primer pri dobijanju elektrine energije u termoelektranama stepen korisnog dejstva je,

)generatora()turbine()kotaoprni( = 0.850.450.95 = 0.36 (36%)

Problemi sa neobnovljivim izvorima energije su prvo u njihovoj koliini i rasprostranjenosti. Zalihe fosilnih goriva su ograniene i brzo nestaju poveanjem eksplatacije, a usled koncentracije energetskih resursa u svega nekoliko oblasti u svetu, korienje fosilnih goriva stvorilo je sistem meuzavisnosti, tako da se drave koje zavise od uvoza fosilnih goriva nalaze u podreenim poloajima. Drugi problem je zagaenje ovekove okoline. Sagorevanje fosilnih goriva, naroito onih baziranih na nafti i uglju, predstavlja najverovatniji uzrok globalnom zagrevanju, dakle stvaranju tzv. efekta staklene bate. Promena klimatskih uslova predstavlja jednu od najozbiljnijih opasnosti za Zemljin ekoloki sistem zbog mogueg uticaja na proizvodnju hrane i kljune procese koji stvaraju produktivnu prirodnu okolinu. Primena nuklearne energije sa druge strane, predstavlja uslovno istu tehnologiju, ali u sluaju katastrofa moe doi do izuzetno velikih zagaenja sa ogromnim posledicama na oveka i ovekovu okolinu. Takoe, veliki problem predstavlja i problem odlaganja radioaktivnog otpada.

Sa druge strane obnovljivi izvori energije predstavljaju neiscrpan prirodan vid energije koja se nalazi svuda oko nas.

2.1.2 Podela i znaaj obnovljivih izvora energije u ouvanju ovekove okoline.

Pod pojmom obnovljivi izvori energije, podrazumevaju se izvori energije koji se

nalaze u prirodi i obnavljaju se u celosti ili delimino. Takvi nosioci energije su bioobnovljivi, vetar, suneva, geotermalna, mali vodotokovi, energija plime i oseke i sl. Na primer za Republiku Srbiju raspodela onovljivih izvora energije je sledea:


5

a) bioobnovljivi izvori (63%) b) energija malih vodotokova, (10 %) c) energija vetra, (5%) d) neakumulirana suneva energija (izuzimajui fotosintezu), (17%) e) geotermalna energija. (~5%)

Poto se potencijalna energija obnovljivih izvora nalazi u vidu koji veoma esto nije mogue direktno koristiti, potrebno je takav vid energije prevesti u drugi upotrebljivi vid energije-pretvaranjem (konverzijom).

Bioobnovljivi izvori energije raspolau sa potencijalnom hemijskom energijom koja se na razliite naine moe prevesti u toplotnu, mehaniku i elektrinu energiju, kao to je prikazno na donjoj slici.

BIOOBNOVLJIVIIZVORIENERGIJE

sagorevanje

toplotna energijatoplotaelektricna

energija

hemijska ili biohemijska modifikacija

tecna goriva

GORIVNIGALVANSKISPREG

reformingreaktor

gasovita goriva

mehanicka energija

Motori sa unutrasnjim sagorevanjem

GENERATORElektricne energije

PARNI KOTAOPARNA TURBINA

Slika. 2.2. Pretvaranje potencijalne energije bioobnovljivih izvora u druge vidove energije.

Osnovni nain korienja bioobnovljivih izvora energije je direktno sagorevanje. Sagorevanjem se oslobaa toplotna energija koja se primenom razliitih konvertora energije (parni kotlovi, parne turbine, elektrini generatori) moe prevesti u mehaniku i elektrinu energiju. Jedan od moguih naina je i hemijska ili biohemijska modifikacija bioobnovljivih izvora kojom se mogu dobiti razliita tena goriva (bioalkoholi, biodizel) odnosno gasovita goriva (biovodonik, biometan i drugi biogasovi), koji se na primer u gorivnim galvanskim spregovima ili motorima sa unutranjim sagorevanjem mogu prevesti u elektrinu, toplotnu i mehaniku energiju.

POZNATO JE DA SE SAGOREVANJEM BIOGORIVA TAKOE

OSLOBAA UGLJEN-DIOKSID KAO GLAVNI GAS EFEKATA STAKLENE BATE, MANJE JE POZNATO DA SE ISTI GAS OSLOBAA I PROCESOM PRIRODNOG TRULJENJA BIOGORIVA (tzv. ciklus kruenja ugljenika u prirodi) IME SE TAKOE OSLOBAA ENERGIJA ALI U BESKORISNOM VIDU.


6

SAGOREVANJEM BIOGORIVA SE ZNATNO MANJE UTIE NA ZAGAENJE ATMOSFERE NEGO SAGOREVANJEM NEOBNOVLJIVIH GORIVA (NAFTA, UGALJ). TAKOE, SAGOREVANJEM NEOBNOVLJIVIH IZVORA OSLOBAAJU SE DRUGI GASOVI STAKLENE BATE KAO TO SU SUMPORNI I AZOTNI OKSIDI I Sl. Ciklus kruenja ugljenika u prirodi

Funkcionisanje biosfere ogleda se u uzajamnoj povezanosti njenih razliitih ekosistema na principima kruenja materije i jednosmernom proticanju energije u globalnim razmerama. Osnovne elemente (C, O, H, N i dr.) organizmi ugrauju u organska jedinjenja u svome telu. Organska materija prolazi kroz lance ishrane i na kraju se razlae. Tako se osnovni elementi vraaju u spoljanju sredinu, odakle ponovo mogu da se iskoriste. Ovaj put osnovnih elemenata predstavlja biogeohemijske cikluse materije na Zemlji, koji se mogu utvrditi za svaki element posebno.

Ugljenik se nalazi u atmosferi u obliku ugljen-dioksida i u hidrosferi, rastvoren u vodi. U procesima fotosinteze se ugljenik vezuje i gradi organska jedinjenja (biljne materije), kojima se hrane vii organizmi. Jedan deo ugljenika vraa se u atmosferu i vodu u toku disanja viih organizama, a najvei deo ugljenika vraa se u spoljanju sredinu procesima truljenja i vrenja (biljaka i viih organizama), uz pomo gljivica, gljiva i bakterija.

Slika 2.3. Ciklus kruenja ugljenika u prirodi.

Znatna koliina ugljenika ostaje due ili krae vreme van kruenja. Ponekad ostaci

uginulih organizama, zbog posebnih uslova u kojima se nau (na dnu okeana, duboko pod zemljom, u uslovima niskih temperatura gde su procesi raspadanja usporeni) ne mogu biti potpuno razloeni. U takvim (anaerobnim) uslovima moe doi i do formiranja metana (takozvani barski gas) koji ima mnogostruko vei uticaj na formiranje staklene bate nego ugljen-dioksid.

Kinetika energija VETRA se moe konvertovati u mehaniku ili elektrinu energiju primenom vetrogeneratora. Vetrogenerator je ureaj koji pretvara kinetiku energiju vetra u mehaniku, a u spoju sa elektrinim generatorom i u elektrinu energiju (tipino 220 V, 50 Hz). Mada jednostavan po shemi, ovaj sistem je veoma komplikovan u smislu odravanja konstantnosti napona i frekvence naizmenine struje. To se postie promenom ugla elise pri odreenim brzinama vetra i sloenim elektronskim upravljakim sistemom.


7

vetrogenerator

energija vetra

elektricni generator

jednosmerna ili naizmenicna struja

mehanicka energija

Slika 2.4. Konverzija energije vetra u elektrinu i mehaniku energiju i izgled tipinog vetrogeneratora.

Energija zraenja Sunca se moe prevesti u elektrinu energiju primenom fotonaponskih konvertora (solarnih elija) odnosno u toplotnu energiju primenom solarnih kolektora, a iz oba oblika u mehaniku energiju.

fotonaponskacelija

Sunce

solarna energija

elektricna energija

solarnikolektori

toplotna energija

voda

mehanicka energija

Slika 2.5. Konverzija energije Sunca u elektrinu i toplotnu energiju.

Izgled solarnih fotonaponskih i toplotnih konvertora


8

Geotermalna energija uglavnom predstavlja toplotnu energiju. Osnovni vid su geotrmalni izvori ija temperatura u principu varira od ~30 do 600C, pa ak i preko 1000C. Ona se moe direktno iskoristiti za zagrevanje ili nakon dogrevanja za proizvodnju vodene pare i dobijanja elektrine i mehanike energije primenom turbina i elektrinih generatora.

Drugi vid je buenje dubokih rupa u zemlji (100-150 m) uz postavljanje cevi kroz koji prinudno protie neki fluid (npr: antifriz) uz pomo pumpe. Sa obzirom da je temperatura Zemlje na tim dubinama konstantna oko 20 25oC ovakav sistem se moe koristiti i za grejanje tokom zimskih meseci i za hlaenje tokom letnjih meseci u obliku visokoefikasnih podnih i zidnih razmenjivaa toplotne energije.

Na alost to je jo uvek veoma skupa investicija, ali se mora ozbiljno razmiljati o njenoj primeni u skorijoj budunosti.

Rezerve tople vodegeotermalne vode

Voda (30-90o C)

Pumpa

100-150 m

kotao turbina

elektricnaenergija

grejanjeFLUID

grejanje-hladjenje

konstantana temperatura

dogrevanje(bioorivo?)

Slika 2.7. Mogunost iskoriavanja geotermalne energije.

Energija malih vodotokova u Srbiji sa oko 10% zastupljenosti predstavlja idealne potencijale za dobijanje mehanike i elektrine energije. Na alost u Srbiji jo uvek ne postoji zakonska regulativa o korienju takvih izvora za ozbiljniju izgradnju i praktino nisu dozvoljena. Energija malih vodotokova uglavnom se ne koristi, osim za turistiko pokretanje ranjeva za peenje mesa, malobrojnih vodenica i nekih ilegalnih elektrinih centrala? U ovoj oblasti Drava mora da napravi veliki pomak u Zakonskoj regulativi. 2.1.3. Mesto i uloga EHIE u konverziji i skladitenju energije

Zbog periodinosti rada nekih ekoloki prihvatljivih konvertora energije (vetrogeneratora, fotonaponskih elija, solarnih kolektora i sl.), uslovljenih vremenskim prilikama, dobom dana odnosno godine, neophodno je dobijenu energiju akumulirati (skladititi) da bi se omoguilo troenje i pri nepovoljnim uslovima. Akumulacija energije je naroito bitna ukoliko se konvertori koriste u specifinim uslovi gde ne postoji mogunost povezivanja na elektrodistibutivnu mreu, kao na primer: seoska domainstva, vikendice, vojni objekti, telekomunikacioni repetitori i sl.

Toplotna energija se moe skladititi u akumulatorima toplote (bojleri), dok se elektrina energija uglavnom skladiti u elektrohemijskim izvorima elektrine energije (EHIE), neposredno ili posredno primenom akumulatora ili gorivnih galvanskih spregova.


9

3. ENERGETSKI POTENCIJALI OIE U REPUBLICI SRBIJI

3.1. ENERGETSKI BILANS REPUBLIKE SRBIJE

Energetski bilans uobiajeno predstavlja ukupnu potronju neobnovljivih izvora energije. U okviru energetskog bilansa iznosi svih energenata se iskazauju u fizikim jedinicama (vrsta goriva: u M tona, tena goriva: u M tona, gasovita goriva: u M m3, elektrina energija: u GWh, a toplotna energija: u TJ), a zajedniki pokazatelj se obino iskazuje u tonama ekvivalentne nafte (ten-energija koja se oslobaa sagorevanjem jedne tone nafte).

Jedna tona ekvivalentne nafte iznosi: - 41,87 GJ toplotne energije, - 11,63 MWh elektrine energije, - oko 2,0 tone kamenog uglja, ili 5,586 tona sirovog lignita, - 0,99 t dizela - 0.95 t benzina - 1,16 t biodizela - 1,56 t bioetanola

Energetski bilans po vrstama goriva za Republiku Srbiju za 2006 godinu.

RESURS Jedinica Domaa proizvodnja

Uvoz

Nafta M tona 0.646 3.080

Prirodni gas M m3 253.28 2564.43

Ugalj M ten 6.61 1.677

El. energija GW h 31305 1289

Ukupno M ten 8.37 7.31

Iz tabele se moe videti da je u Republici Srbiji ukupna potronja energenata u 2006 godini iznosila oko 15.5 M ten, pri emu je uvozna zavisnost (energetski debalans) ~47%. 3.1.1 Energetski potencijali obnovljivih izvora energije u Republici Srbiji

Tehniki iskoristivi energetski potencijal obnovljivih izvora energije u Republici Srbiji je veoma znaajan i procenjen je preko 3,83 miliona ten godinje, pri emu uee pojedinih OIE u tom potencijalu iznosi:

- oko 2,4 miliona ten godinje (tj. oko 62,7% ukupnog potencijala) nalazi se u iskorienju biomase, od ega oko 1,0 miliona ten, ini potencijal drvne biomase (sea drveta i otpaci drvne mase pri njenoj primarnoj i/ili industrijskoj preradi), a vie od 1,4 miliona ten ini poljoprivredna biomasa (ostaci poljoprivrednih i ratarskih kultura, ukljuujui i teni stajnjak nastao u stoarskoj proizvodnji);

- oko 0,4 miliona ten godinje (tj. oko 10,4% ukupnog potencijala) nalazi se u malim vodotokovima na kojima se mogu graditi male hidroelektrane. Procene su bazirane na


10

katastru malih hidroelektrana iz 1987. godine kojim je opisano 856 lokacija za izgradnju malih hidroelektrana, snage od 90 kW do 8,5 MW, ukupne snage 449 MW i 1 590 GWh pri emu oko 90% lokacija poseduje tehniki potencijal snage ispod 1 MW;

- oko 0,2 miliona ten godinje (tj. oko 5,2% ukupnog potencijala) nalazi se u postojeim geotermalnim izvorima, koji su locirani na teritoriji Vojvodine, Posavine, Mave, Podunavlja i ireg podruja centralne Srbije, kao i u postojeim banjama. Nesistematinost u istranim i pripremnim radovima za korienje geotermalnih izvora i odsustvo podsticaja za organizovano korienje ovog izvora energije su osnovni razlog simbolinog iskorienja energije tople vode iz stotinak postojeih buotina, relativno niske temperature (retko preko 60C), toplotne snage ispod 160 MJ s-1, iako dosadanja istraivanja ukazuju da je stvarni potencijal geotermalnih izvora bar pet puta vei od ostvarenog;

- oko 0,19 miliona ten godinje (tj. oko 5% ukupnog potencijala) nalazi se u energiji vetra. Procena potencijala vetra bazirana je na dugogodinjim podacima postojeih hidrometeorolokih stanica koje vre merenja na visini do 10 m, dok je za uvid u pravo stanje potrebno da se vre jednogodinja merenja na visinama od 30 i 50 metara;

- oko 0,64 miliona ten godinje (tj. oko 16.7% ukupnog potencijala) nalazi se u iskorienju Sunevog zraenja, uz plansku pretpostavku koja podrazumeva da svaka stambena jedinica ugradi proseno 4 m2, to predstavlja prosek potreba individualnog stambenog objekta, odnosno ugradnju oko 10,6 miliona m2

(iako je na veini teritorije Srbije broj sunanih dana znatno vei nego u mnogim evropskim zemljama preko 2 000 asova, zbog visokih trokova prijemnika Sunevog zraenja toplote i pratee opreme, intenezivnije korienje ovog i drugih obnovljivih izvora energije zavisie prevashodno od drutvenog podsticaja za zasnivanje i sprovoenje nacionalnog Programa obnovljivih izvora energije)

Bioobnovljivi2.4 Mten (62.7%)

Vetar0.19 (4.96%)

Geotermalna0.2 Mten (5.22%)

Mali vodotokovi0.4 Mten (10.4%)

Sunce0.64 Mten (16.7%)

Raspodela obnovljivih izvora energije u Republici Srbiji.


11

3.2. POTENCIJALI KORIENJA BIOMASE U SRBIJI

Biomasa je organska materija biljnog ili ivotinjskog porekla koja se pomou razliitih procesa moe prevesti u upotrebljivu energiju. Energija biljnog porekla predstavlja, procesom fotosinteze akumuliranu svetlosnu energiju Sunca kojom se svetlost transformisala u hemijsku energiju. U toku fotosinteze biljke koriste ugljen-dioksid iz vazduha i vode u cilju stvaranja razliitih ugljenih-hidrata, koji predstavljaju osnovne gradivne elemente biomase. Na ovaj nain se svetlosna odnosno suneva energija akumulira u hemijskim vezama strukturnih komponenti biomase, a ova energije se moe eksploatisati na razliite naine.

Osnovni izvor biomase ivotinjskog porekla su u principu prirodni teni stajnjak i gradski otpad.

Energija akumulirana u biomasi je hemijske prirode pa u njenoj eksploataciji nema prekida rada, kao to je to sluaj sa solarnom ili energijom vetra. Sa ovog aspekta, biomasa ima vie karakteristika fosilnih goriva nego obnovljivih izvora, sa razumljivim razlogom jer su fosilna goriva ustvari fosilni oblik biomase. Istorijski gledano, biomasa je bila osnovni izvor energije za oveanstvo, uglavnom u obliku drveta koje se koristilo za grejanje i spremanje hrane, dok su industrijskom revolucijom primat preuzela fosilna goriva. I pored toga, biomasa danas uestvuje sa ~15% u ukupnoj potronji energije, a znaajno je da je ovaj udeo znatno vei u zemljama u razvoju nego u industrijalizovanim zemljama.

Slika 3.1. Priblina raspodela agrarnih kultura u Republici Srbiji.

Jedan od najbitnijih faktora koji odreuju potencijalnu ulogu biomase u energetskoj

industriji, predstavlja jaka konkurencija koja postoji izmeu vrednosti biomase i zemljita neophodnog za njen uzgoj, to nije sluaj sa ostalim obnovljivim izvorima. Biomasa moe da se koristi kao hrana, ubrivo, za proizvodnju papirnih vlakana i kao energent. ak i meu derivatima biomase postoji konkurencija koja moe da smanji njen znaaj kao potencijalnog energenta: stajnjak je vano ubrivo i znaajan izvor biogasa, drvna piljevina moe da se koristi kao zatitini sloj plodnog zemljita, u proizvodnji iverice ili kao briket za sagorevanje, a otpadne masti kao hrana za domae ivotinje ili sirovina za proizvodnju biodizela.

Pitanje koje drava u okviru njenih planiranih potreba energetskog bilansa i hrane mora postaviti je da li e se oranice zasaditi kulturama za prehrambene ili energetske potrebe. Odluka da li e se na primer eer iz eerne repe, glukoza dobijena hidrolizom skroba iz kukuruza ili krompira, kukuruzno/suncukretovo ulje koristiti kao prehrambena namirnica ili


12

prevesti u energent (na primer etanol ili biodizel), je vrlo delikatno pitanje i mora ukljuiti niz planskih i esto nepredvidivih aspekata.

Meutim, izuzimajui kompeticiju izmeu razliitih upotrebnih vrednosti biomase kao energenta ili prehrambenih namirnica, stoji injenica da se u Republici Srbiji praktino gubi oko 1,5 do 2 miliona ten godinje usled neadekvatnog korienja (truljenja) otpadne biomase, pri emu dolazi do izdvajanja ugljen-diosida i to je naroito opasno metana pri anaerobnom truljenju.

Uzimajui u obzir gore navedene injenice, adekvatni naini korienja biomase u proizvodnji energije bi ukljuivao intenziviranje upotrebe otpadne biomase (na primer briketiranje drvnih otpadaka, slame, sena, kukuruzovine i sl.), ijim se sagorevanjem osim toplotne energije mogu dobiti i ostali vidovi energije primenom razliitih konvertora. 3.3. BIOGORIVA

Biogorivo je naziv za goriva koja ili sama spadaju u biomasu ili su nastala preradom biomase te kao takva, za razliku od fosilnih goriva, spadaju u obnovljive izvore energije. U biogoriva se ubrajaju i goriva koja su nusprodukt drugih procesa i koja bi inae bila otpad. Biogoriva danas predstavljaju ozbiljan izazov fosilnim gorivima posle vie od jednog veka njihove upotrebe. Biogoriva pomau u borbi protiv globalnog otopljavanja proizvode manji uinak staklene bate i emituju manje ugljen-dioksida nego fosilna goriva. Smanjene su i emisije drugih toksinih materija kao to je azotoksid koji utie na poveanje oboljenja disajnih organa, naroito u gradovima. Proizvodnja biogoriva ograniena je samo brzinom rasta biljaka i raspoloivou obradivih povrina. Ukoliko se u proizvodnji biodizela koriste otpadne materije nema ak ni tih ogranienja. U Evropi bi se od koliine ulja za kuvanje koje se svake godine po upotrebi baci moglo proizvesti milijardu litara biodizela. Veina od 20 miliona vozaa u Brazilu koristi automobilsko gorivo u kome ima 25 odsto etanola. O Brazilu se sve ee govori kao o etanolskoj Saudijskoj Arabiji. Sve je vei broj zemalja koje sada propisuju kombinovanje biogoriva sa standardnim fosilnim gorivima, a velike petrohemijske kompanije kao to su el (Schell) sve vie ulau u tu tehnologiju. Zahvaljujui skokovitom porastu cene nafte, brizi zbog klimatskih promena i i rastuem strahu za bezbednost snabdevanja sirovom naftom, etanolu i drugim vrstama biogoriva predstoji svetla budunost. Biogoriva koja e se u budunosti bazirati na drvenastim biljkama, a ne na kukuruzu, zahtevae krupna ulaganja, ali e se ulaganje brzo isplatiti: poljoprivreda e oiveti, obradivo zemljite e biti zatieno, vodotoci e biti sauvani. Biljke sa velikim sadrajem skroba i uljastih materija jedan su od dva potencijalna izbora biogoriva dok se u novijim istraivanjima posebna panja posveuje uzgoju genetiki modifikovanih drvenastih biljaka u vidu uzgoja brzorastuih specijalnih vrsta vrba i jablanova. Novo globalno trite biogoriva ve danas se suoava sa nekim ozbiljnim politikim preprekama poto poljoprivredni lobiji u bogatim zemljama zahtevaju protekcionistike barijere. Biogoriva se mogu podeliti na vrsta, tena i gasovita. VRSTA BIOGORIVA vrsta biogoriva (drvna masa, ostaci poljoprivredne proizvodnje i sl.) predstavljaju sve prirodne organske materije, koje sagorevanjem mogu dati toplotnu energiju koja se dalje moe konvertovati u ostale oblike energije (elektrinu i mehaniku).


13

U vrsta biogoriva spadaju: drvo - u raznim oblicima: u obliku cepanice, usitnjenog drvenog otpada, granica, briketa, iverja, itd; slama - bilo upakovana ili ne; seno - za sada bez praktine primene; drugi biljni otpaci; Toplotna mo biomase.

Toplotna mo biomase zavisi od sadraja vlage u biljnom materijalu. Sa porastom sadraja vlage u biljnoj masi opada toplotna mo biomase. Ranije se toplotna vrednost biomase uporeivala sa kamenim ugljem. Danas se uporeuje sa tenim gorivom (dizel gorivom ili uljem za loenje). Okvirno posmatrano 3 kg slame (12,7 do 16 MJ/kg) moe da zameni 1 kg dizel goriva (D2) ili ulja za loenje, ili 2,56 kg oklaska-apurina (sa 7,5% sadraja vlage, 14,7 MJ/kg) po toplotnoj moi odgovara 1 kg lakog ulja za loenje (EL).

Energetska vriednost drveta zavisi od njegove vlanosti, drvo uskladiteno 2-3 godine ima dvostruko veu energetsku vrijednost od sveee poseenog drveta:

Vlanost drveta (%) 50-60% 25-35 % 15-25 %

Stanje drveta Svee Uskladiteno preko leta

Uskladiteno 2-3 godine

Energija (MWh/t)

2.0 3.4 4.0

Energija (GJ/t)

7.2 12.24 14.4

Termoenergetski potencijali biomase u Srbiji su sledei

Vrsta biljnih ostataka

Biomasa za sagorevanje 25% od ukupne (103 t)

Donja toplotna mo

(MJ/kg)

Ekvivalent 103 ten

1. Penina slama 671 14,00 248,5 2. Jemana slama 79 14,20 30,0 3. Ovsena slama 34 14,50 13,0 4. Raena slama 4 14,00 1,5 5. Kukuruzovina 1412 13,50 504,3 6. Kukuruzovina

semenskog kukuruza 18 13,85 6,6

7. Oklasak 1144 14,70 444,9 8. Stabljike suncokreta 160 14,50 61,4 9. Ljuske suncokreta 96 17,55 44,6 10. Sojina slama 65 15,70 27,0 11. Slama uljane repica 25 17,40 11,5 12. Stabljike duvana 12 13,85 4,4 13. Granje iz vonjaka 280 14,15 104,8 14. Loza iz vinograda 82 14,00 30,4 Ukupno: 4082 1533,9


14

Osnovni problem pri korienju biomase je njena mala zapeminska masa, pa se iz tog razloga ona prevodi u brikete i pelete. Pri tome bi bilo veoma korisno da se kao izvor mehanike energije koristi na primer parna maina ili Stirlingov motor iji bi se rad zasnivao na biogorivu.

Izgled briketa (levo) i peleta (desno)


15

TENA BIOGORIVA U tena biogoriva spadaju: - Alkoholna biogoriva (bioetanol, biometanol i butanol); - Bio-ulja, gde spadaju biljna ulja (suncukretovo, ulje iz uljane repice, kukuruzno i sl), biodizel, ali i upotrebljena jestiva ulja, npr. za friteze ijom se preradom moe dobiti biodizel. Od tenih goriva su najprimenjivaniji bioalkoholi (metanol, etanol i butanol), kao i biodizel. U Tabeli su date uporedne vrednosti gustine energije razliitih obnovljivih i neobnovljivih tenih goriva:

Gorivo Energija MJ dm-3

Dizel-D100 38.6 Biodizel B100 37.2 Benzin 32.2 Bio-butanol 29.2 Bio-etanol 19.6 Bio-metanol 16.0

BIOALKOHOLI Bioalkoholi se uglavnom proizvode fermentacijom eera odnosno skroba (nakon hidrolize), ili iz prirodnog gasa (metanolski kompleks u Kikindi). Najznaajniji predstavnici su metanol, etanol, butanol i propanol. Metanol

Metanol je najednostavniji predstavnik alkohola sa hemijskom formulom CH3OH, temperaturom kljuanja od 64,5 C i gustinom od 0,7918 g cm-3. Metanol se ranije dobijao suvom destilacijom drveta, a danas se najee dobija sintzezom iz vodonika i ugljen-monoksida dobijenih iy metana (prirodnog gasa), pri povienoj temperaturi i pritisku uz prisustvo katalizatora, prema ukupnoj reakciji:

CO + 2H2 = CH3OH (p=50 300 bar; t = 200 400C)

Danas najraireniji katalizator je na bazi bakra, cink-oksida i aluminijum-oksida. Pri 510 MPa (50100 atm) i na temperaturi od 250C, on moe proizvesti metanol sa selektivnou od >99.8%

Za dobijanje pravog biometanola bilo bi neophodno koristiti ugljen-monoksid dobijen nepotpunim sagorevanjem nekog oblika biomase i vodonika dobijenim elektrolizom vode primenom obnovljivih izvora energije.

Metanol se koristi kao pogonsko gorivo kod automobilskih motora gdje je potrebna velika snaga i visoka izdrljivost protiv detonacije. Metanol sadrzi 50% oksigena to pospeuje sagorevanje u motorima sa unutrasnjom sagorjevanjem, ima vei stepen


16

iskoritenja od benzina i izrazito visok oktanski broj od ~130. Izduvni gasovi su istiji od benzina i sadre manje CO2. Mana metanola kao pogonskog goriva je da sadri duplo manje energije od benzina po jedinici zapremine te je potrebna dvostruko vea koliina metanola da bi sagorevanje bilo potpuno.

Pored primene kao osnovnog goriva u motorima sa unutranjim sagorevanjem, metanol se najee razmatra kao izvor vodonika za napajanje gorivnih galvanskih spregova i elektrini pogon automobila. Naime, upotreba gasovitog (komprimovanog) vodonika u gorivnim galvanskim spregovima je povezana sa nizom moguih incidentnih situacija (tekoe u skladitenju, potencijalno velika opasnost od samozapaljivanja i eksplozije i sl). Iz tog razloga se kao izvor vodonika koristi reforming reacija metanola koga je mnogo lake skladititi u rezervoaru automobila

0)(CO3HOHOHCH 2223 Gr

Etanol Etanol je sledei predstavnik niih alkohola sa formulom C2H5OH. Njegova taka kljuanja iznosi 78,4oC, a gustina 0.789 g cm-3. Etanol se moe proizvesti sintezom iz vode i etena u prisustvu sumporne kiseline kao katalizatora.

Za razliku od metanola, etanol se moe u velikim koliinama dobiti na ekoloki prihvatljive naine iz bilo koje biomaterije koja sadri skrob ili eer. Etanol se najee dobija alkoholnim vrenjem eera dobijenih iz razliitih izvora u prisustvu odgovarajuih gljivica (kvasaca) vrenja. Na alost ogranivajui faktor u dobijanju etanola je otpornost mikroorganizama koji ga proizvode (na primer kvasac ugine pri koncentraciji etanola od ~18%) pa je za dobijanje viih koncentracija neophodna redestilacija. Prednost etanola je to se moe dobiti kompletno upotrebom bio-materija.

CHO

OHH

OHH

HHO

OHH

CH2OH

Glukoza

vrenje10-20% C2H5OH

frakciona destilacija

biogoriva

80-96% Etanol

sagorevanje

skrobsecer

hidroliza

Mogui nain proizvodnje bioetanola.

Cena bioetanola je dvostruko nia od cene od benzina ili dizela i u Brazilu se to gorivo

moe nabaviti irom zemlje. O Brazilu se sve ee govori kao o etalonskoj Saudijskoj Arabiji. Sve je vei broj zemalja koje sada propisuju kombinovanje biogoriva sa standardnim fosilnim gorivima. A velike petrohemijske kompanije kao to su el (Schell) sve vie ulau u tu tehnologiju koja se zasniva na biotehnologiji. Principijelna tehnoloka shema shema se je data na donjoj slici.


17

Secernarepa,trska

ekstrakcija

RASTVOR

SECERA

Ostaci repe-trskezitarice, krompir...

mlevenjeekstrakcija

SKROB

Hidroliza

enzimamilaze

FERMENTACIJA

kvascibakterije

DESTILACIJA BIOETANOL 98%

CaCl2

Lignoceluloza

mlevenje

pretretman

hidroliza

enzimcelulaze

stocna hrana, djubrivo

Butanol

Biobutanol (C4H9OH, taka kljuanja: 118 C) se obino razmatra kao direktna zamena benzinu za korienje u motorima sa unutranjim sagorevanjem. Butanol proizvodi vie snage tokom ciklusa sagorevanja od obinog benzina, a pri tome nema potrebe za modifikacijom motor, manje je kozoivan i rastvorljiv u vodi i moe se distribuirati korienjem postojee infrastrukture. Takoe, velika prednost biobutanola je odsustvo sumpornih jedinjenja. Biobutanol se dobija ABE (aceton-butanol-etanol) fermentacijom eera iz preraenog skroba (krompir, kukuruz i sl) uz prisustvo bakterija Clostridium acetobutylicum. Mada je ova tehnologija bila poznata jo 1916 godine i u velikim razmerama se koristila do etrdesetih godina prolog veka, niska cena dobijanja benzina je istisnula ovu tehnologiju. Reakcija se odigrava na 33-370C u trajanju od 30 do 40 asova. Prinos je oko 30 do 33%, uz tipian sastava 33-65 % nbutanola, 19-44 % iyopropanola 1-24% acetona, 0-3% etanola.

I pored svih dobrih karakteristika, biobutanol se danas praktino ne koristi, mada postoje velike tendencije ka tome. BIODIZEL

Biodizel se dobija iz biljnih ulja (soje, uljane repice, suncokreta, kukuruza), kao i iz otpadnih ulja i masti reakcijom transesterifikacije uz prisustvo katalizatora. Moe se koristiti nezavisno ili u meavini sa dizelom dobijenim rafinacijom sirove nafte i to u bilo kom odnosu. U zavisnosti od udela biodizela u meavini, biodizeli se nazivaju B100 (ist, 100% biodizel), B5 (5% biodizel i 95% fosilni dizel), B20 (20% biodizel i 80% fosilni dizel), itd.

Problem sa istim biodizelom geliranje pri temperaturama ispod 5C. U ovom

trenutku ne postoji na raspolaganju proizvod koji bi znaajno smanjio gel taku istog biodizela. Tako da pri korienju tokom zime potrebno je koristiti meavinu biodizela, klasinog dizela sa niskim sadrajem sumpora i kerozina.

Primena biodizela, u poreenju sa fosilnim dizelom, obezbeuje u smislu zatite ivotne sredine smanjenje efekta staklene bate, kao i redukovanu emisiju sumpornih oksida, suspendovanih estica i ugljenmonoksida.


18

U tabeli su date emisije biodizela i fosilnog dizela, uzimajui da je emisija fosilnog dizela 100%.

Tabela. Promene u emisiji biodizela u poreenju sa emisijom fosilnog dizela (100%).

Vrsta emisije B100 B20 Ugljenmonoksid -43,2% -12,6% Ugljovodonici -56,3% -11,0% estice -55,4% -18,0% Azotni oksidi +5,8% +1,2% Toksine materije -60%/-90% -12%/-20% Mutagene materije -80%/-90% -20% Ugljen-dioksid (ivotni ciklus) -78,3% -15,7%

Kvantifikacija ovih efekata na ivotnu sredinu vri se popularnim pristupom Well-to-

Wheel (WTW), gde se vri merenje neto emisije tokom celokupnog lanca proizvodnje-potronje.

Kompletna procena energetskog bilansa ciklusa goriva ukljuuje ne samo energetski sadraj biodizela i energiju koja se potroi u njegovoj proizvodnji, ve i energiju koja se apsorbuje/odaje od strane svih procesa potrebnih da bi se dolo do konanog proizvoda. Studije, koje su raene za biodizel, pokazuju da je ukupni energetski bilans (ukljuujui i ekstrakciju, rafinaciju i esterifikaciju) pozitivan. Opti energetski bilans zavisi od upotrebne vrednosti stabljike repice. Ona se moe isei i koristiti kao izvor energije ili se moe zaorati. Energetski bilans za repicu, prikazani su u tabeli:

Energetski bilans za biodizel od repice u MJ/ha, u zavisnosti od prinosa repice po hektaru.

Parametri Vrednosti

Prinos semena (t/ha) 3.2 Energetski ulaz (MJ/ha)

Obrada zemljita -4300

ubrivo -12800 Agro-hemija -600 Seme -200 Skladitenje/pakovanje -300 Prevoz -774 Prerada/proizvodnja -16071 Ukupno ulaz -35045

Konaan izlaz Bio-gorivo 45800

Pogaa 3700 Ukupan izlaz bez stabljike 49500

Energetski izlaz/energetski ulaz (bez stabljike) 1.41 Neto energetski bilans bez stabljike 14455

Stabljika 38400 Ukupan izlaz sa stabljikom 87900

Energetski izlaz/energetski ulaz (sa stabljikom) 2.51

Neto energetski bilans sa stabljikom 52855


19

U cilju optimizacije kompletnog procesa, dobijanje sirovog ulja bi trebalo da se odvija blizu zemljita na kojemu se usev uzgaja. Ovako se smanjuju energetski trokovi transporta. Ljuska i ostatci slomljenog zrna mogu se sagorevati u cilju proizvodnje energije. Kada se uradi energetski bilans za suncokret dolazi se do zakljuka da su cifre sline ovim pokazanim za seme repice. Jedan hektar suncokreta proizvodi manje biodizela, ali sa druge strane dobija se vie stabljika, a koristi se manje ubriva i agrohemije.

Tehnologija proizvodnje biodizela

Tehnoloki postupak proizvodnje biodizela zasniva se na transesterifikaciji, odnosno hemijskoj reakciji triglicerida sa metanolom u prisustvu Na-metilata kao katalizatora, pri emu nastaju metil-estri (biodizel) i glicerin.

Shematski prikaz proizvodnje biodizela

Tipine fizike osobine reaktanata i proizvoda reakcije su date u donjoj tabeli:

Gustina (g cm-3) M (g mol-1) Metanol 0.7918 32.04

Ulje 0.915 872 (*) Glicerol 1.26 92.9 Biodizel 0.88 292.2

*potrebno je odrediti u zavisnosti od vrste ulja (obino se posredno odreuje titracijom sa NaOH ili KOH)

Reakcija se odvija dvostepeno u dva reaktora, sa unakrsnim tokom reaktanata.

Razdvajanje estarske lake faze i glicerinske tee faze vri se u uredjajima za taloenje, praktino na granici rastvorljivosti ovih faza.

Dobijena estarska faza se dalje ispira vodom radi uklanjanja zaostalog metanola, glicerina, katalizatora i sapuna. Isprani estri sue se u vakuumu i hlade. U biodizel se dodaju aditivi za niskotemperaturne karakteristike (depresanti) i stabilizatori (antioksidansi).

Glicerinska faza (glicerin, metanol i katalizator) mea se sa vodom iz procesa pranja metil-estara. Zakieljavanjem sa HCl, katalizator se razlae na rastvor NaOH i metanol.

Frakcionisanje metanola i glicerinske vode vri se u rektifikacionim kolonama. Dobijeni metanol, istoce 99,99% vraa se u proces transesterifikacije. Glicerinska voda se dalje prerauje do tehnikog glicerina. Glicerin se takoe moe preradjivati do nivoa farmaceutske istoe. Meutim, koliine izdvojenog glicerina su ogromne, i on ne moe biti u potpunosti


20

iskorien, te nastaju problemi sa njegovim skladitenjem. Jedna od mogunosti reenja tog problema bi mogla biti proizvodnja biobutanola.

Stehiometrijski gledano od ~1000 l ulja i ~130 l metanola moe se dobiti ~1000 l

biodizela, odnosno:

1000 l ulja + 127 l metanola 1045 l biodizela + 77.3 l glicerina

Meutim, zbog razliitog kvaliteta ulja, potrebe za korienjem katalizatora (natrijum ili kalijum metilata), tipina potrona je:

1000 l ulja 220 l metanola 6.5 kg NaOH ili 9.4 kg KOH (istoe 89 %)

pri tome se natrijum-hidroksid rastvara u ukupnoj koliini metanola i kontrolisano dodaje ulju. Neophodno je voditi rauna u eliminaciji vlage u svim tehnolokim fazama, poto u suprotnom moe da doe do saponifikacije. Pojednostavljena tehnoloka shema je data na donjoj slici.

Shema procesa proizvodnje biodizela

GASOVITA BIOGORIVA U gasovita biogoriva spadaju: - Biogas; - Neki generatorski gasovi nastali preradom biomase (drveni gas). - Neki destilacioni gasovi nastali preradom biomase - Deponijski biogas - Vodonik nastao cepanjem bilo kog ugljovodonika ili elektrolizom vode elektrinom energijom dobijenom iz obnovljivih izvora.


21

Osnovni predstavnik gasovitih biogoriva je biogas. Biogas je meavina metana i ugljen-dioksida, koja se dobija prilikom razgradnje organskih materija pod anaerobnim uslovima. Biogas je metaboliki proizvod anaerobnih bakterija koje proizvode metan, i koje su uzrok raspadanju. Anaerobne bakterije predstavljaju jedan od najstarijih oblika ivota na Zemlji. One su se razvile pre nego to je fotosintezom biljaka osloboena velika koliina kiseonika u atmosferu. Anaerobne bakterije razlau organsku materiju u odsustvu kiseonika i proizvode biogas kao produkt tog razlaganja. Osim odsustva kiseonika, neophodni uslovi su konstantna temperatura i pH vrednost.

Kada se pria o biogasu, obino se misli na gas sa velikom koliinom metana u sebi, koji nastaje fermentacijom organskih susptanci, kao to su stajnjak, mulj iz otpadnih voda, gradski vrsti otpad ili bilo koja druga biorazgradljiva materija, pri anaerobnim uslovima. esto se za biogas koriste i nazivi kao to su barski gas, deponijski gas, movarski gas i slino, ve prema mestu nastanka. Svaka varijanta ima razliite nivoe metana i ugljen-dioksida u sebi, zajedno sa manjim udelom drugih gasova. Poto se biogas proizvodi tamo gde se organski materijal razgrauje u anaerobnim uslovima, postoji irok spektar organskih materija koje su pogodne za anaerobnu njegovu proizvodnju, kao to su:

teno i vrsto stajsko ubrivo posebno prikupljan biolki otpad iz stambenih delova obnovljivi materijali, kao to su kukuruzna silaa, semenke koje se ne koriste za

ishranu, itd mulj iz kanalizacije i masti korieni podmazivai trava ili seno biloki otpad iz klanica; pivara, destilerija; prerade voa i proizvodnje vina; mlekara;

industrije celuloze, eerana... i slino

Biogas se sastoji od oko 55-70% metana (CH4), i ostatka koga ine ugljen-dioksid, ugljen-monoksid i azot. Tipian raspon sastava je dat u sledeoj tabeli.

Tipini sastav biogasa %

Metan, CH4 50-75 Ugljen-dioksid, CO2 25-50

Azot, N2 0-10 Vodonik, H2 0-1

Vodonik-sulfid, H2S 0-3 Ovaj relativni odnos gasova zavisi od obraivanog materijala i postupka obrade. Biogas ima znaajnu energetsku vrednost od oko 7 kWh/m3 to ga ini vrlo isplativim i univerzalnim gorivom daleko isplativijim od ostalih fosilnih goriva i biomase. Jedan kubni metar biogasa sadri priblino istu koliinu energije kao 0,6 litara lo-ulja, ili 0,65 N m3 prirodnog gasa Takoe, ustanovljeno je da metan ima mnogostruko vei efekat na formiranje staklene bate (oko 20 puta) od ugljen-dioksida. Shodno tome sagorevanjem ili nekom drugom primenom biogasa u kojoj se metan prevodi u ugljen-dioksid smanjuje se i efekat staklene bate. Dokazano je da varenjem biomase koje samo stoka koriste za ishranu, a iji se broj procenjuje na stotine miliona, mnogo vie doprinose gasovima staklene bate (uglavnom metan) nego gasovi iz svih ukupnih svetskih transportnih sredstava.


22

U novije vreme, sve je vea upotreba biogasa dobijenog sa deponija i iz otpadnih voda. ak i kada se ne koristi za dobijanje toplotne i/ili elektrine energije, deponijski gas se mora propisno odloiti i preistiti, jer sadri opasne zapaljive materije, od kojih mnoge stvaraju smog. Biogasni digestori koriste biorazgradljive materije, od kojih se dobijaju dva korisna proizvoda: biogas i fermentisano bioubrivo vrhunskog kvaliteta. Biogas preien do nivoa istoe za gasovod naziva se obnovljivi prirodni gas i mogue ga je koristiti u svakoj primeni u kojoj se inae koristi zemni gas. To ukljuuje distribuciju takvog gasa putem gasovoda, proizvodnju struje, grejanje, zagrevanje vode i upotrebu u raznim tehnolokim procesima. Kompresovan, biogas moe da se koristi i kao pogonsko gorivo za vozila.

Proces proizvodnje biogasa Organski materijal se prvo skuplja u rezervoaru za pred-skupljanje i meanje. Ovaj

tank slui za meanje i homogenizaciju razliitih fermentacionih materija. Nakon termikog tretmana na 70C, gde se unitavaju sve bakterije negativne po proces fermentacije, materijal se prebacuje u anaerobni digestor u koji se dodaju korisne bakterije koje proizvode biogas.

Kljuni parametri (zapremina biogasa u N m3 po toni tenog materijala)

Bioloki otpad: 100 200 Otpad od hrane: 120 150 Mast iz kolektora: 80 150 Korieno ulje, mast: 1.000 Destilerija: 20 Mlena surutka: 25 Otpad iz klanica: 100 Teni otpad, balega: 20 70

Za sada se uglavnom koristi biogas dobijen iz tenog stajnjaka farmi. Na stonim farmama oekivana proizvodnja biogasa varira u zavisnosti od ivotinjske vrste i naina uzgoja i kree se u granicama od 20 - 40 m3 biogasa/m3 osoke (stajnjaka). Energetski potencijal biomase na farmama se odreuje prema broju tzv. uslovnih grla stoke (UG) koji predstavlja ivotinju (ili vie njih), teine 500 kg ive vage

- 1 UG = 0,6 - 1,2 krava muzara - priblino 1,3 m3 biogasa dnevno po UG - snaga biogasa: 6 kWh/Nm3

- 1 UG = 2 - 6 svinja - priblino 1,5 m3 biogasa dnevno po UG - snaga biogasa: 6 kWh/Nm3

- 1 UG = 250 - 320 koka nosilja - priblino 2 m3 biogasa dnevno po UG - snaga biogasa: 6,5 kWh/Nm3

- 1 UG = 15-20 - priblino 1,5 m3 biogasa dnevno po UG - snaga biogasa: 6 kWh/Nm3

- Silaa kukuruza, trave, lisnatee mase - 600 - 640 m3 biogasa po toni OSM - snaga biogasa: 5,5 - 6 kWh/Nm3

- PRIMER: Industrijske organski zagaene otpadne vode - 0,20 - 0,40 m3 CH4/kg HPK - 60 - 80% CH4 u biogasu


23

OSM je organska suva materija, a HPK - hemijska potreba kiseonika. Primer dobro odravane deponije

1. Deponija 2. Gasne sonde (trnovi) 3. Cev za skupljanje ocedne vode 4. Gasni kolektor 5. Kompresor za isisavanje gasa 6. Visokotemperaturni gorionik 7. Kogeneracioni motor 8.

Trafo stanica 9. Toplovod.

Za dobijanje 1 kWh struje i 1,24 kWh toplote, potrebne su sledee koliine obnovljivih energetskih izvora:

5 do 7 kg biolokog otpada 5 do 15 kg smea 8 do 12 kg stajnjaka i organskog otpada 4 do 7 m3 komunalnih otpadnih voda

Biovodonik se dobija uglavnom primenom dve tehnologije. Reforming reakcijom, na primer metana uz pomo vodene pare koja se odigrava na visokim temperaturama (8000C) i uz prisustvo katalizatora:

CH4 + H2O = CO + 3H2 Ugljen-monoksid dalje reaguje sa vodenom parom (350oC) dajui ugljen-dioksid i vodonik: CO + H2O = CO2 + H2 Na ovakav nain se vodonik moe dobiti iz razliitih vrsta alkohola, glicerina-nusprodukt biodizela, eera i mnogih drugih organskih jedinjenja koja sadre vodonik.


24

Slinim postupkom se iz biomase (celuloze) uz pomo vodene pare umerene temperature (200 350oC) na atmosferskom pritisku, u alkalnoj sredini takoe moe dobiti vodonik:

C6H12O6 + 12NaOH + H2O = 6Na2CO3 + 12H2 Druga tehnologija, kojom se dobija najistiji vodonik, se zasniva na elektrolizi vode: 2H2O = O2 + 2H2 uz korienje elektrine energije dobijene iz obnovljivih izvora (vetrogenerator, fotonaponska elija, i sl.). Elektroliza se odigrava u alkalnoj sredini pri emu se na anodi dobija kiseonik, a na katodi vodonik. Anodni i katodni prostor se razdvaja separatorom (dijafragmom) koji spreava meanje gasova.


25

3.2. ENERGIJA SUNEVOG ZRAENJA

Energija Suneve radijacije vie je nego dovoljna da zadovolji sve vee energetske zahteve u svetu. U toku jedne godine, suneva energija koja dospeva na zemlju 10.000 puta je vea od energije neophodne da zadovolji potrebe celokupne populacije nae planete. Oko 37% svetske energetske potranje zadovoljava se proizvodnjom elektrine energije (priblino oko 16.000 TWh u 2001. godini). Ako bi se ova energija generisala fotonaponskim sistemima skromne godinje izlazne snage od 100 kWh po kvadratnom metru, neophodna bi bila povrina od 150 x 150 km2 za akumulaciju suneve energije. Veliki deo ove apsorpcione povrine mogao bi se smestiti na krovovima i zidovima zgrada, pa ne bi zahtevao dodatne povrine na zemljitu.

Godinji prosek dnevne energije zraenjaSunca na horizontalnu povrinu.

Potencijali fotonaponske tehnologije u Srbiji

U toku 21. veka Srbija e morati da primeni mudru energetsku strategiju koja e obuhvatati nekoliko inovativnih mera efikasnog korienja energije, brz porast korienja obnovljivih energetskih kapaciteta i korienje fosilnih goriva uz pridravanje visokih ekolokih normi u cilju ouvanja prirodne sredine i klimatskih uslova. Uprkos velikom dugoronom potencijalu, fotonaponska tehnologija e u poetku igrati sporednu ulogu, ali e njen doprinos konstantno rasti kako u urbanim tako i najudaljenijim mestima u Srbiji. Procena ukazuje da instalacioni potencijali za fotonaponske sisteme do 2010. godine iznose oko 20 MW.

Brz porast fotonaponske industrije u svetu uz porast proizvodnih kapaciteta i pozitivnu politiku klimu u zemljama kao to su Japan, Nemaka i panija, obeavaju dobru perspektivu fotonaponskim tehnologijama i u Srbiji. Meutim, fotonaponska industrija zahteva pogodne i stabilne politike uslove u Srbiji za konstantan i odriv razvoj. Uzimajui u obzir dananji znaaj fotonaponske tehnologije, njihove dugorone potencijale i vreme potrebno da se ovakve tehnologije razviju, razvoj i primene ovih tehnologija potpuno opravdavaju i ohrabruju dravnu podrku i subvencije. Fotonaponska industrija moe znatno da doprinese privredi zemlje otvaranjem novih radnih mesta, kao i malih i srednjih preduzea.


26

Potencijal Srbije u primeni toplotnih kolektora

Energetski potencijal je zadovoljavajui na celoj teritoriji Srbije i mogue je efikasno korienje termikog dejstva sunevog zraenja. U prethodnom dugom periodu ovaj prirodni, ekoloki i ekonomski najpovoljniji vid korienja energije nije mogao da se primenjuje jer nije postojala nikakva stimulacija stanovnitva. Sada kada se nedostatak energije u itavom svetu drastino osea i kada cena struje u Srbiji raste kako bi dostigla cene u Evropskoj Uniji, ista ekonomska raunica e dovesti do upotrebe najracionalnijih izvora energije. Stimulacija drave u obliku poreskih olakica za instaliranu opremu sigurno bi se viestruko isplatila u poreenju sa novim investicijama u elektroprivredu koje nas oekuju.

Ekonomski i ekoloki razlozi dovode do ulaganja u istraivake i razvojne projekte koji svojim rezultatima pokreu investicije u proizvodnji opreme za eksploataciju energije. Apsurdno je da siromane zemlje koje skupo plaaju uvozne energente i opremu za proizvodnju energije ne uine napor da na bazi ekonomskih raunica krenu u razvoj i proizvodnju onoga to je najpogodnije. To ukazuje na odnos vlasti prema svojoj zemlji, energetskim resursima i planiranju 3.3. ENERGIJA VETRA

Energetske krize, smanjenje zaliha fosilnih goriva i enormno zagaivanje planete uticali su da se industrija za proizvodnju vetrogeneratora (VTG) poslednjih 30 godina razvijala u svetu skoro istom dinamikom kao i industrija raunarske opreme, a danas se smatra vrlo stabilnom i perspektivnom. Po predvianjima mnogobrojnih eksperata, oekuje se dalji intenzivan rast instalisanih kapaciteta, a trendovi daljeg poveanja ekonominosti, kao i sve ozbiljnije pogoranje stanja ivotne sredine, potvruju takve pretpostavke. Do kraja 2001. godine u svetu je instalisano 56.000 vetrogeneratora sa kapacitetom od 25 GW. 2007 godine poveanje kapaciteta iznosilo je 52%. Nemako trite ima i dalje najvei udeo, trite SAD dri drugo, a panija je dola na tree mesto.

Analiza regiona u Srbiji pogodnih za izgradnju vetrogeneratora Osnovni uslov za primenu energije vetra su brzine i konstantnost.

Godinji prosek brzina vetra na 50 m visine.


27

Prosena godinja energija vetra na visini od 100 m.

U Srbiji postoje potencijalno pogodne lokacije za izgradnju vetrogeneratora:

1. Istoni delovi Srbije - Stara Planina, Vlasina, Ozren, Rtanj, Deli Jovan, Crni Vrh itd. U ovim regionima postoje lokacije ija je srednja brzina vetra preko 6 m/s. Ova oblast prostorno pokriva oko 2000 km2 i u njoj bi se perspektivno moglo izgraditi oko 2000 MW instalisane snage vetrogeneratora.

3. Zlatibor, Bjelasica, Kopaonik, Divibare su planinske oblasti gde bi se merenjem mogle utvrditi pogodne mikrolokacije za izgradnju vetrogeneratora.

4. Panonska nizija, severno od Dunava je takoe bogata vetrom. Ova oblast pokriva oko 2000 km2 i pogodna je za izgradnju vetrogeneratora jer je izgraena putna infrastruktura, postoji elektrina mrea, blizina velikih centara potronje elektrine energije i slino.

U perspektivi bi se u ovoj oblasti moglo instalirati oko 1500 do 2000 MW vetrogeneratorskih proizvodnih kapaciteta.

3.4. ENERGETSKI POTENCIJAL MALIH VODOTOKOVA U SRBIJI

Projekti koji podrazumevaju korienje hidroenergetskog potencijala malih vodotokova ukljuuju one instalacije koje imaju mali pad (obino ispod 40 metara) i mali kapacitet (nominalno manje od 16 MW). Hidroelektrina energija se dobija kroz dve faze. U prvoj fazi potencijalna energija vodene mase pokree hidraulinu turbinu i pretvara se u mehaniku energiju, a u drugoj fazi ova mehanika energija pokree generator koji je pretvara u elektrinu energiju. Snaga generisane elektrine energije zavisi od protoka vodene mase i razlike u nivou izmeu izvora vodotoka i ispusta akumulacije (pad).

Ukupni hidropotencijal Srbije procenjen je na oko 31.000 GWh godinje. Vei deo tog potencijala (oko 62%) je ve iskorien jer je ekonomski opravdano graenje veih proizvodnih kapaciteta. Ostatak hidropotencijala je iskoristiv gradnjom manjih i skupljih objekata posebno ako se rauna na mini i mikro elektrane. Neke procene potencijala malih hidroelektrana, koje ukljuuju mini i mikro elektrane na preko 1000 moguih lokacija sa


28

instalisanom jedininom snagom ispod 10 MW, kazuju da je na malim vodotokovima mogue ostvariti ukupnu instalisanu snagu od oko 500 MW i proizvodnju 2.400 GWh/god. Od toga se polovina (1.200 GWh/god) nalazi u Uikom, Nikom i Kragujevakom regionu, gde moe da bude korien u brojnim malim postrojenjima sa ukupnom instalisanom snagom od oko 340 MW rasporeenom na oko 700 lokacija. Budui da je na preostali neiskorieni hidropotencijal znaajnim delom u opsegu male hidroenergetike, taj deo je i posebno izuavan. Izraen je i katastar malih hidroelektrana za jedinine snage ispod 10 MW. Rezultat je iskazan u ukupnoj instalisanoj snazi od 453 MW i prosenoj proizvodnji od 1.600 GWh/god. na oko 868 lokacija.

Danas je u pogonu samo 31 mini hidroelektrana ukupne snage 34,654 MW i godinje proizvodnje od 150 GWh. Van pogona je 38 mini hidroelekrana ukupne snage od 8667 MW i procenjene godinje proizvodnje od 37 GWh. Ove male HE mogu se osposobiti za pogon uz ulaganje koje je zavisno od stanja u kome se nalaze. Postoje znaajne mogunosti ugradnje malih hidroelektrana u postojeim vodoprivrednim objektima, koje se takoe karakteriu znatno niim trokovima.

Procena ukupnih regionalnih potencijala malih hidroelektrana.

3.5. ENERGETSKI POTENCIJAL GEOTERMALNIH RESURSA SRBIJE

Geotermalna energija je svuda ispod nas. Negde je lako dostupna ili sama izlazi na povrinu zemlje u obliku tople vode ili pare, a negde je na velikoj dubini i praktino nedostupna. Istraivanja su pokazala da Srbija ima znaajne mogunosti za korienje geotermalne energije i da u budunosti treba planirati njeno vee uee u energetskom bilansu. Postojei rezultati pokazuju da bi se sa intenzivnim programom razvoja geotermalnih resursa mogao do 2015. godine da postigne nivo zamene od najmanje 500.000 tona uvoznih tenih goriva godinje. Geotermalna energija u Srbiji se simbolino koristi, samo sa 86 MW i ako po geotermalnom potencijalu spada u bogatije zemlje.

Korienje i eksploatacija geotermalne energije moraju postati intenzivniji jer na to primoravaju sledei faktori: tenzije naftno-energetske neravnotee, neminovna tranzicija na trinu ekonomiju, stalni porast deficita fosilnih i nuklearnih goriva, pogoravanje ekoloke situacije i porast trokova za zatitu okoline. Najvei znaaj za Srbiju imae direktno


29

korienje geotermalne energije za grejanje i toplifikaciju ruralnih i urbanih naselja i razvoj agrara i turizma.

Geotermalne karakteristike teritorije Srbije su veoma interesantne. To je posledica povoljnog geolokog sastava terena i povoljnih hidrolokih i geotermalnih karakteristika terena. Gustina geotermalnog toka je glavni parametar na osnovu kojeg se procenjuje geotermalni potencijal nekog podruja. On predstavlja koliinu geotermalne toplote koja svakog sekunda kroz povrinu od 1 m2 dolazi iz Zemljine unutranjosti do njene povrine. Na najveem delu teritorije Srbije gustina geotermalnog toplotnog toka je vea od njegove prosene vrednosti za kontinentalni deo Evrope, koja iznosi oko 60 mW/m2. Najvee vrednosti od preko 100 mW/m2 su u Panonskom basenu, centralnom delu june Srbije i u centralnoj Srbiji. Na teritoriji Srbije van Panonskog basena nalazi se 160 prirodnih izvora geotermalnih voda sa temperaturom veom od 15C. Najveu temperaturu od njih imaju vode izvora u Vranjskoj Banji (96C), zatim u Joanikoj Banji (78C), Sijerinskoj Banji (72C) itd. Ukupna izdanost svih prirodnih geotermalnih izvora je oko 4.000 l/s. Pema sadanjim saznanjima na teritoriji Srbije postoji 60 nalazita geotermalnih voda sa temperaturom veom od 15C do dubine od 3000 m. Ukupna koliina toplote koja se nalazi akumulirana u nalazitima geotermalnih voda u Srbiji do dubine od 3 km, oko dva puta je vea od ekvivalentne toplotne energije koja bi se mogla dobiti sagorevanjem svih vrsta ugljeva iz svih njihovih nalazita u Srbiji. Izdanost 62 vetaka geotermalna izvora, tj. geotermalne buotine, na podruju Vojvodine je oko 550 l/s, a toplotna snaga oko 50 MW, a na ostalom delu Srbije iz 48 buotina 108 MW. Na teritoriji Srbije pored povoljnih mogunosti za eksploataciju toplotne energije i ostalih geotermalnih resursa iz geotermalnih voda, postoje i povoljne mogunosti za eksploataciju geotermalne energije iz "suvih" stena, tj. stena koje ne sadre slobodnu podzemnu vodu. U tom sluaju voda se upumpava u podzemne tople stene gde se zagreva. Ispumpavanjem tako zagrejane vode ostvaren je prenos energije iz toplih stena. Eksploatacija energije iz ovog resursa nee poeti u dogledno vreme kada se uzme u obzir i trenutno minimalno korienje prirodnih izvorita tople i lekovite vode mada su u svetu razvijene i tehnologije za tu primenu.

Procena ukupnih regionalnih potencijala geotermalne energije.


30

Termalni izvori u Srbiji klasifikovani prema temperaturi vode i optinama:

20 400C 40 600 C 60 800C Poarevac Malo Crnie (Salakovac) Smederevo (Jugovo) Prokuplje (Suva esma, Vika banja) Kurumlija (Prolom banja) Preevo (Miratovce) Grad Beograd (Letane, Brae Jerkovi) Obrenovac (Poljane) Lazarevac (Vreoci) Sopot (Koraica-Kosmaj) Ljig (Onjeg) Grad Aranelovac Topola (Stragari) G. Milanovac (Mlakovac) aak (Gornja Trepa) Kraljevo (Mataruka banja, Bogutovaka banja, Vitanovac) Vranjaka banja (Vrnjaka banja) Aleksandrovac (Mitrovo polje, Velue) Raka (Baljevac) Brus Novi Pazar (Vua) Kosovska Mitrovica (Kisela banja) Gnjilane (Ugljare)

Smederevska Palanka (Palanaki kiseljak) Kruevac (Ribarska banja) Bujanovac (Bujanovaka banja) Uroevac (Klokot banja) Mladenovac (Selters) Kurumlija (Lukovska banja, Banjska) Novi Pazar (Novopazarska banja)

Vranje (Sijarinska banja) Raka (Joanika banja) Kurumlija (Kurumlijska banja)

Preko 800 C Vranje (Vranjska banja)


31

4. KONVERZIJA I AKUMULACIJA ENERGIJE OBNOVLJIVIH IZVORA

Zbog periodinosti rada konvertora energije (vetrogeneratora, fotonaponskih elija, solarnih kolektora i sl.), uslovljenih vremenskim prilikama, dobom dana odnosno godine, neophodno je dobijenu energiju konvertovati i akumulirati da bi se omoguilo troenje i pri nepovoljnim uslovima. Konverzija i akumulaciaja energije je naroito bitna ukoliko se konvertori koriste u specifinim uslovi gde ne postoji mogunost povezivanja na elektrodistibutivnu mreu, kao na primer: seoska domainstva, vikendice, vojni objekti, telekomunikacioni repetitori i sl, ali e u skoroj budunosti ovo biti dominantniji vid dobijanja svih vidova energije.

Osnovni vid energije koji se dobija korienjem vetrogeneratora i fotonaponskih elija je elektrina energija, dok se primenom solarnih kolektora dobija toplotna energija. Shodno tome, mogu se razmatrati i dva osnovna vida akumulacije energije, akumulacija elektrine, odnosno toplotne energije. Poto se potencijalna energija obnovljivih izvora nalazi u vidu koji veoma esto nije mogue direktno koristiti, potrebno je tu potencijalnu energiju prevesti u drugi vid procesom konverzije (pretvaranja). Takoe, zbog periodinosti rada ekoloki prihvatljivih konvertora energije (vetrogeneratora, fotonaponskih elija, solarnih kolektora i sl.), uslovljenih vremenskim prilikama, dobom dana odnosno godine, neophodno je dobijenu energiju akumulirati (skladititi) da bi se omoguilo troenje i pri nepovoljnim uslovima. Konverzija i akumulacija elektrine (kao i toplotne) energije je naroito bitna ukoliko se konvertori koriste u specifinim uslovi gde ne postoji mogunost povezivanja na elektrodistibutivnu mreu, kao na primer: automobili, seoska domainstva, vikendice, vojni objekti, telekomunikacioni repetitori i sl.

Na slici su kao primer, prikazani mogui tehnoloki postupci konverzije i akumulacije energije nekih obnovljivih izvora za pogon automobila, koji danas predstavljaju pojedinano male ali u celini (ako se uzme u obzir da se godinje u svetu proizvede oko 50.000.000 automobila) ogromne zagaivae okoline.

VODONIK KISEONIK/ VAZDUH

VODA

Energija vetra

Energija Sunca

Elektroliza vode

Elektrina energija

BIOMASABIOMASA

-biodizel

-bioalkoholi

-biogasovi

reforming

AKUMULATORAKUMULATOR Elektrina energija

Gorivni galvanski spreg(FUEL CELL)

ElektriElektrina energijana energija

anodaanoda katoda

Razliiti vidovi biomase se mogu prevesti u biodizel (ulja iz uljane repice, suncukreta,

kukuruza i sl.) i direktno koristiti kao pogonsko gorivo automobila transportnih sredstava.


32

Takoe, u procesu fermentacije biomase (eera, skroba i sl.) mogu se dobiti bioalkoholi i biogasovi koji se direktno mogu koristiti za pogon modifikovanih motora sa unutranjim sagorevanjem. Ovako modifikovana biomasa se moe koristiti direktno kao gorivo u gorivnim galvanskim spregovima (fuel cell) ili nakon razlaganja (reforming proces) u obliku vodonika.

Energija vetra primenom generatora elektrine energije ili energija zraenja Sunca primenom fotonaponskih elija se moe konvertovati u elektrinu energiju. Takva elektrina energija se moe akumulirati u elektrohemijskim izvorima elektrine energije (na primer olovnim akumukatorima) i kasnije koristiti za pogon elektromobila. Drugi nain akumulacije je elektroliza vode pri kojoj se dobija gasoviti vodonik koji se moe skladititi, komprimovati i koristiti kao gorivo u gorivnim galvanskim spregovima.

Iz ovog primera moe se videti da konverzija i akumulacija energije obnovljivih

izvora pruaju neograniene mogunosti primene kao i razlog za dalja razmiljanja o unapreivanju tehnologija takvih procesa. Principi akumulacije elektrine energije

Elektrina energije se moe akumulirati na dva naina, neposredno i posredno. Neposredna akumulacija pretpostavlja korienje akumulatorskih baterija (uz primenu elektrinih pretvaraa i stabilizatora), dok posredna akumulacija pretpostavlja elektrolizu vode i skladitenje vodonika i kiseonika koji se prema potrebi mogu ponovo konvertovati u elektrinu energiju u gorivnim galvanskim spregovima. 4.1. Neposredna akumulacija elektrine energije

U neposrednoj akumulaciji elektrine energije se uobiajeno koriste elektrohemijski izvori elektrine energije ili akumulatori.

U zavisnosti od tipa vetrogeneratora generatora zavisie i principijelna shema perifernih jedinica pri akumulaciji energije. Na slici 5.5.1 je prikazana mogua principijelna shema sa osnovnim perifernim jedinicama neophodnim za korienje energije vetra.

Slika 4.1. Shematski prikaz perifernih jedinica za korienje i akumulaciju elektrine energije dobijene iz vetrogeneratora.

Pretvara i ispravlja

Akumulatorska baterija

Stabilizator napona i

frekvencije

Punja Upravljaka

jedinica

Potroai

Pretvara napona

Elektrodistributivna mrea


33

Snaga vetra, P, koju vetrenjaa moe efikasno iskoristiti se moe dati sledeom

jednainom: P = 0.05 D2w3 (4.1) gde je , gustina vazduha, D, raspon krila vetrenjae, a w, brzina vetra. Sa obzirom na to da se korienjem generatora naizmenine struje smanjuju gubici, upotereba jednosmernih generatora je veoma ograniena. Shodno tome, idealno bi bilo koristiti naizmenine generatore napona 220 V, frekvence 50 Hz, ime se omoguava i direktno korienje proizvedene elektrine energije u periodima sa povoljnim vetrom. Meutim, zbog razliitih obimnih brzina rotiranja krila vetrenjae pri razliitim brzinama vetra potrebno je frekvencu odravati u granimcama bliskim 50 Hz. To se moe ostvariti primenom zupastih reduktora ili elektronskim stabilizatorima napona i frekvencije. Ovako dobijena stabilisana energija se direktno moe koristiti od strane potroaa, ili predavati u elektroenergetski sistem elektrodistributivne mree. Ukoliko se energija skladiti u akumulatorima, neophodno je preko pretvaraa i ispravljaa prevesti u jednosmernu struju sa potrebnim naponom za punjenje akumulatorskih baterija (u sluaju korienja generatora jednosmerne struje pretvarako-ispravljaka jedinica se u principu moe izostaviti, ali je potrebno koristiti generator sa naponom potrebnim za punjenje akumulatora). Uobiajeno je da se akumulatorske baterije namenjene ovakvoj primeni vezuju kombinovano redno-paralelno da bi se dobio napon od 48 V sa potrebnim kapacitetom. Nakon pretvaraa i ispravljaa, akumulatori se pune pomou punjaa koji u sebi sadri elektronski sklop koji spreava kako prepunjavanje tako i nedozvoljeno pranjenje (duboko pranjenje) koji u mnogome skrauju radni vek odnosno broj ciklusa akumulatorskih baterija. Akumulisana energija se prema potrebi koristi, ali prevedena u naizmeninu struju napona 220 V, 50 Hz, za ta se koristi pretvara napona. Za neke primene kao to su osvetljenje, rad nekih elektronskih ureaja (TV, radio prijemnici, raunari i sl.) moe se direkto koristiti elektrina energija iz akumulatorske baterije, pri emu se potreban napon moe po elji menjati jednostavnim prespajanjem elija akumulatorskih baterija. Na primer, izvodi na 6, 12 ili 24 V. Upravljaka jedinica, koja radi na principu povratne sprege i koja se sada uglavnom proizvodi na bazi elektronskih procesora, ima ulogu usaglaavanja rada svih elemenata vetrogeneratora, kao to su podeavanje koraka elise radi stabilnosti rada, praenje punjenja, pranjenja i dopunjavanja akumulatora, prebacivanje potronje ili iz akumulatorskih baterija ili direktno iz vetrogeneratora, praenje i ograniavanje potronje da bi se spreilo oteenje sistema i sl. Fotonaponski pretvarai (solarne elije) pretvaraju direktno energiju svetlosnog zraenja (radijacija) u elektrinu energiju u obliku jednosmerne struje niskog napona. Napon solarne elije zavisi od materijala elije i jaine radijacije.

Efikasnost solarnih fotonaponskih modula

Tip solarne tehnologije tipina efikasnost

% maksimalna

efikasnost, %

maksimalna efikasnost u lab.

uslovima, %

monokristalni silicijum ( c-Si )

12 - 15 22,7 24,7

polikristalni silicijum (m-Si)

11 - 14 15,3 19,8

amorfni silicijum 5 - 7 10,1 12,7


34

( a-Si ) kadmium telurid ( CdTe )

6 8 10,5 16,0

bakar indium diselenid( CuInSe2)

6 - 8 12,1 18,2

Danas je uobiajena primena silicijumskih solarnih elija ija je efikasnost od 15 do 20 %, a napon je tipino oko 0.4 V. Na slici 5.5.2 je prikazan dijagram strujno-naponske karakteristike u zavisnosti od jaine radijacije za silicijumsku solarnu eliju povrine 100 cm2. Sa slike se moe videti da elektrina energija koju moe da obezbedi ovakav tip solarne elije varira od radijacije i kree se u granicama od 2 do 8 mW cm-2.

Slika 4.2. Strujno-naponska karakteristika tipine silicijumske fotonaponske

elije povrine 100 cm2 pri razliitim intenzitetima sunevog zraenja. Prema tome, za neku realnu potronju od 2 kW h, uz prosenu radijaciju od ~500 W m2, bilo bi potrebno instalirati fotonaponski pretvara povrine 50 m2. Sa obzirom na trenutno relativno visoku cenu solarnih fotonaponskih elija od 3-5 $/W investicioni trokovi prevazilaze budet prosenog domainstva. Prema tome, fotonaponske elije se realno mogu koristiti za dodatnu akumulaciju energije, uz istovremenu primenu vetrogeneratora i solarnih kolektora.

Na slici 5.5.3 je prikazana principijelna shema sa osnovnim perifernim jedinicama neophodnim za korienje fotonaponskih generatora elektrine energije.

Slika 4.3. Shematski prikaz perifernih jedinica za korienje i

akumulaciju elektrine energije dobijene iz fotonaponskog generatora.

Fotonaponski generator

Akumulatorska baterija

Pretvara napona

Potroa Upravljaka jedinica

Punja

Osnovni izvor elektrine energije

motor


35

U principu, uz korienje 48 V akumulatorske baterije, napon fotonaponskog generatora treba da iznosi 65 V, da bi se obezbedilo punjenje akumulatorske (olovne) elije do 2.7 V. Upravljaka jedinica u ovom sluaju ima pored ranije datih funkcija i funkciju rotiranja fotonaponskog generatora pomou motora, radi obezbeivanja poloaja sa najboljom osunanou.

Prema gore izloenom, za autonomno elektrino napajanje objekta, pri emu se podrazumeva da su instalirani solarni kolektori za zagrevanje i akumulaciju toplotne energije i korienje vrstog ili gasovitog goriva za zagrevanje i kuvanje, potrebno je koristiti kombinaciju vetrogeneratora i fotonaponskog generatora. U sluajevima kada se elektrini ureaji i aparati ne mogu napajati iz vetrogeneratora ili fotonaponskih generatora, neophodno je obezbediti napajanje pomou akumulatorske baterije u trajanju od 10 do 15 h. Kao primer potrebne snage vetrogeneratora i fotogeneratora potrebno je pretpostaviti ukupnu potronju pojedinih ureaja i aparata na asovnom i mesenom nivou.

Potroa Potronja / W Proseno vreme rada tokom dana / h

Mesena potronja / kW h

Friider 120 8 29 Zamrziva 300 8 72 TV prijemnik 120 6 21.6 9 Radio 50 6 9 Usisiva 1200 0.2 7.2 Pegla 1200 0.2 7.2 Reo 1000 1.5 45 Bojler 1000 2 60 PC 150 3 13.5 Mikser 250 0.1 0.75 Osvetljenje 300 6 54 Ostalo 200 3 18 Ukupno 5890 -- 340

Od prosene mesene potronje od ~ 340 kW h za friider, zamrziva, televizijski i

radio prijemnik i osvetljenje se mora obezbediti konstantno napajanje, odnosno oko 0.6 kW h. Pri tome struja koju je potrebno da isporui akumulatorski blok od 48 V u toku 10 do 15 h iznosi 12.5 A, odnosno oko 15 A ukoliko bi se koristili i neki drugi aparati sa manjom potronjom. Na osnovu ovoga se moe izraunati da je energija koju je potrebno da obezbedi akumulatorski blok u trajanju od 15 h priblino 10 kW h. Ukoliko se koriste automobilski akumulatori 12 V, 45 A h, kao najdostupnija i najisplativija varijanta, takav akumulatorski blok se moe formirati rednom vezom od 4 akumulatorske baterije koje bi se paralelno vezale u 5 istovetnih blokova, to ukupno ini 20 akumulatorskih baterija. Potrebno je napomenuti da takav akumulatorski blok moe dati i znatno vee struju, odnosno snagu, u toku kraeg vremena.

Uz pretpostavku ukupne potronje od ~6 kW i ukoliko su svi aparati i ureaji ukljueni, moe se pretpostaviti potrebna snaga vetrogeneratora i fotonaponskog generatora, kojim se mogu napajati ureaji i dopunjavati akumulatorski blok. Ukoliko bi se koristio generator naizmenine struje napona 220 V potrebna struja bi iznosila ~27 A. Poto se koristi napon od 220 V, a potrebna struja za dopunjavanje potpuno ispranjenog akumulatorskog bloka iznosi maksimalno ~20 A uz napon od 65 V, udeo snage za punjenje akumulatorskog bloka bi iznosio maksimalno 1.3 kW. To znai, poto se koristi transformatorska jedinica, da


36

e struja na primaru koja se troi za punjenje akumulatora iznositi maksimalno 6 A. Prema tome, optimalne karakteristike vetrogeneratora koji bi mogao da obezbedi napajanje svih gore navedenih ureaja i punjenje akumulatorkog bloka bi bile 220 V, 30 A uz snagu od oko 6 kW (raunajui i gubitke u elektronskim sklopovima, vodovima, stepenu efikasnosti punjenja akumulatora i sl.). Pri tome treba napomenuti da bi upravljaka jedinica smanjivala snagu vetrogeneratora, preko promene uglova elise, u zavisnosti od potronje. Fotonaponski generator bi u ovom sluaju sluio samo za dopunjavanje akumulatorskog bloka i njegove snaga bi realno iznosila oko 650 W, sa strujom od 10 A i naponom od 65 V.

4.2 Posredna akumulacija elektrine energije GORIVNI GALVANSKI SPREGOVI

Gorivni galvanski spregovi (GGS) su elektrohemijski sistemi koji konvertuju potencijalnu, hemijsku energiju goriva direktno u elektrinu energiju u obliku jednosmerne struje niskog napona. GGS pripadaju grupi primarnih elektrohemijskih izvora elektrine energije ali sa spoljanjom akumulacijom elektroaktivnihaktivnih supstanci. Ukupna elektrohemijska reakcija odgovara sagorevanju goriva, ali zbog prostorne odvojenosti dolazi do usmerenog protoka elektrona, kroz spoljno elektrino kolo (kao potroaa), od anode ka katodi i pojave elektrine struje. Sa druge strane, elektrini balans se uspostavlja usmerenim kretanjem jona kroz elektrolit.

Osnovne prednosti i mane GGS u poreenju sa drugim izvorima elektrine energije su:

PREDNOSTI: MANE direktna konverzija energije, visoki investicioni trokovi veliki izbor goriva, veina je u fazi razvoja korienje kiseonika iz vazduha, malo podataka o stabilnosti rada mogunost kogeneracije, tehnologija nefamilijarna proizvoaima energije nema pominih delova, nepostojea infrastruktura tih rad, korienje plemenitih metala modularna konstrukcija, visoka efikasnost, brzo odavanje energija, fleksibilnost veliine,

Osnovne komponente GGS su anoda (negativna elektroda, na kojoj se oksidie

gorivo); katoda (pozitivna elektroda, na kojoj se redukuje oksidaciono sredstvo, obino kiseonik) i elektrolit, kao to je shematski prikazano na slici 5.5.5.


37

Slika 4.4. Shematski prikaz gorivnog galvanskog sprega.

Pored osnovnih delova GGS imaju i spoljanje jedinice, rezervoare za skladitenje

goriva, pumpe za napajanje GGS gorivom i oksidansom, odvode produkata reakcije, kontrolne jedinice za regulaciju protoka i pritiska gorivoma i oksidansa, hladnjake za odvoenje toplote, i sl.

Osnovni tipovi GGS se mogu podeliti prema radnoj temperaturi na nisko (t < 250oC) i visoko temperaturne (t > 300oC). Prema vrsti elektrolita GGS se dele na: polimer elektrolitne (polymer electrolyte fuel cell, PEFC) alkalne (alcaline fuel cell, AFC) fosforno kiselinske (phosphoric acid fuel cell, PAFC) rastopljeno karbonatne (molten carbonate fuel cell, MCFC) oksidno keramike (solid oxide fuel cell, SOFC).

U Tabeli je data podela GGS prema vrsti elektrolita sa osnovnim radnim karakteristikama.

Podela i osnovne karakteristike GGS.

Tip GGS Elektrolit Temperatura oC

Pritisak bar

Efikasnost %

PEFC polimerna membrana NAFION-117

80 110 ~4 60-65

AFC 30-80% KOH 80 1 - 5 50-60 PAFC 100% fosforna-kiselina 200 1 - 10 40 MCFC Li/K-CO3 650 1 - 10 48-56 SOFC Y2O3-ZrO2 1000 ~1 55-65

Iz gornje tablice se moe videti da GGS sa polimernom membranom (PEFC) i na bazi

vrstih oksida (SOFC) imaju najvii stepen konverzije energije (efikasnost).

dovod goriva

dovod oksidansa

anoda (-) katoda (+)

elektrolit

R

strujni kolektor

produkti reakcije

potroa


38

Kao gorivo u GGS mogu se koristiti razliite supstance koje se mogu dobiti iz bioobnovljivih izvora (metan, etan, metanol, etanol, zemni gas i sl.), ali se vodonik zbog svog visokog specifinog teorijskog kapaciteta od 26,8 A h g-1, kao i loe efikasnosti GGS pri radu sa nabrojanim supstancama, smatra gorivom izbora za veinu GGS. Jo jedna velika prednost upotrebe vodonika je to to je jedini produkt reakcije voda (osim u sluaju MCFC), tako da je on i najprihvatljivije gorivo sa stanovita smanjenja emisije gasova staklene bate. Izvor vodonika moe biti elektroliza vode, reforming proces metanola i sl. Kao oksidans kod svih tipova GGS koristi se kiseonik, kao ist ili iz vazduha.

Posredna akumulacija elektrine energije podrazumeva korienje primarno dobijene elektrine energije iz vetrogeneratora ili fotonaponskih generatora, za elektrolizu vode (30% rastvor KOH) kojom se dobijaju gasoviti vodonik i kiseonik prema reakcijama: 2H2O + 2e H2 + 2OH

- (4.2) 4OH- + 4e O2 + 2H2O (4.3)

Dobijeni gasovi se skladite u rezervoarima i po potrebi pretvaraju u elektrinu

energiju uz primenu gorivnih galvanskih spregova. Shematski prikaz sistema za posredno korienje elektrine energije je prikazan na slici 4.5.

Slika 4.5. Shematski prikaz sistema za posrednu akumulaciju elektrine energije.

Izvor elektrine energije kao i u sluaju neposredne akumulacije moe biti kako

vetrogenerator tako i fotonaponski generator. Pretvara napona ima dvojaku ulogu u zavisnosti od izvora koji se koristi. Ukoliko se primarno dobija naizmenina struja (iz vetrogeneratora), pretvara ima ulogu sniavanja i pretvaranja napona u jednosmerni sa potrebnom vrednou za elektrolizu. U elektrolizeru se razlae voda na vodonik i kiseonik prema jednainama 4.2 i 4.3, koji se dalje skladite u rezervoarima. Upravljaka jedinica prema potrebi stavlja u funkciju GGS koji daje jednosmerni napon, koji se u pretvarau prevodi u naizmenini napon 220 V.

Slian princip se moe iskoristiti i primenom nekih biogoriva kao izvora vodonika. Biometan i bioalkoholi se u reforming procesu na povienoj temperaturi i primenom

Gorivni

galvanski spreg

O2

H2

Elektrolizer

Pumpa Upravljaka

jedinica

Pretvara napona

Potroa

Pretvara napona

Izvor elektrine energije


39

odreenih katalizatora mogu prevesti u smeu vodonika, ugljen-dioksida i male koliine ugljen monoksida prema reakciji:

Na slici prikazan je shematski izgled celokupnog sistema niskotemperaturnog gorivnog galvanskog sprega, sa dodatnim podsistemima koji omoguavaju rad.

Rezervoargoriva

Reforming reaktor

75% H225% CO21-2% CO

75% H225% CO210-100 ppm CO

Reaktor zaselektivnuoksidaciju CO

Vazduh

Kompresorvazduha

Gorivnigalvanskispreg

Odvod produkatareakcije (H2O, CO2)

Vlazenje gorivaElektricna energija

Toplotna energija

vazduh

Kao gorivo u ovim vrstama gorivnih galvanskih spregova se uglavnom koristi

vodonik, koji je nepogodan za direktnu primenu zbog problema sa skladitenjem i zapaljivou, pa se kao izvor vodonika razmatra metanol (ili neko drugo biogorivo) koji se u procesu reforminga prevodi u smeu vodonika i ugljen-dioksida prema reakciji na primer za metanol:

0)(CO3HOHOHCH 2223 Gr 2.56a

Sa obzirom da reakcija nije spontana i da je endotermna, za njeno odigravanje

je neophodno obezbediti spoljanje dovodjenje toplote. Sastav smee nastale u reforming procesu je priblino 75 zap. % vodonika i 25% zap. % ugljen-dioksida. U katodnom delu G.G.S. odigrava se reakcija redukcije kiseonika iz vazduha, koji se doprema kompresorom. Produkti reakcije vodena para i ugljen-dioksid kao inertna komponenta, se odvode iz gorivnog galvanskog sprega i delimino koriste za vlaenje napojne gorivne smee a delimino za zagrevanje reforming reaktora.

Kao to se sa slike moe videti u gorivnom galvanskom spregu se oslobaa i toplotna energija, tako da se gorivni galvanski spreg moe koristiti kako za proizvodnju elektrine tako i za proizvodnju toplotne energije, to se naziva kogeneracija energije. 5.5.2 Akumulacija toplotne energije

Kao pretvarai toplotne energije sunevog zraenja koriste se solarni kolektori, pri emu se radni fluid tokom cirkulacije zagreva i dalje koristi.

Najednostavnije korienje je primena solarnih kolektora za zagrevanje vode. Solarni kolektor je veoma jednostavne konstrukcije i sastoji se od savijenih crno obojenih bakarnih ili aluminijumskih cevi koje su postavljene na nosa (obino crno obojenu aluminijumsku plou) i prekriveni staklom radi poveanja efikasnosti.


40

Suncevo toplotnozracenje

vodovodna voda

solarni kolektor

bojler

potrosac

nivostat

nivostat

elektrmagnetni ventil

Shematski prikaz solarnog kolektora.

Problem sa primenom solarnih kolektora je to mogu raditi samo tokom dana, pa je

neophodna akumulacija toplotne energije koja bi se koristila tokom dueg vremenskog perioda. U tu svrhu se koriste razmenjivai toplote u kojima primarno zagrejani medijum u solarnom kolektroru preko razmenjivaa toplote predaje energiju akumulacionom medijumu u akumulatoru toplotne energije, kao to je prikazano na slici.

Slika 5.5.6. Shematski prikaz akumulatora toplotne energije.

Kao akumulacioni medijum se obino koristi voda koja ima mali tolotni kapacitet i promenu temperature tokom hlaenja. Iz tog razloga pogodnije je koristiti organske i hidratisane neorganske supstance koje imaju visoku latentnu toplotu topljenja, znaajno vei toplotni kapacitet nego voda, a tokom ovravanja zadravaju tempreaturu u uskom intervalu do promene faznog sastava.

Kada supstanca menja fazu prolazei kroz ravnotee vrsto teno gasovito potrebno je dovoenje energije praenjem porastom temperature, kao to je prikazano na slici.

solarni kolektor

toplotni rezervoar

pumpa

Razmenjivai toplote


41

T = constat.

promena faze(isparavanje)

gaso

vito

tecn

o

cvts

to

promena faze(topljenje)

grejanje

hladjenje

F

ED

CB

A

TE

MP

ER

AT

UR

A

ENERGIJA

Polazei od take A, supstanca je u vrstoj fazi, zagrevanjem se dovodi toplota pri

dostizanju take B, koja se naziva temperature topljenja egzistiraju vrsta i tena faza. Iznad temperature take C samo postoji tena faza. Daljim zagrevanjem dolazi do prelaska tene u gasovitu fazu. Energija potrebna za promenu fazu supstance je poznata kao latentna toplota. Hlaenjem se odaje toplota pri relativno konstantnoj energiji. Za akumulaciju toplotne energije je najbitniji prelaz faza iz vrste u tenu.

U tabeli 5.5.4 su date neke organske i neorganske supstance koje bi se potencijalno mogle koristiti u svrhu akumulacije toplotne energije.

Tabela 5.5.4 Latentna toplota topljenja i temperatura prelaza u teno stanje razliitih organskih i neorganskih jedinjenja

Jedinjenje Prelazna

temperatura, oC Latentna toplota W h kg-1

Kalcijum-hlorid 27-30 50 Natrijum-sulfat (10 hidrat)

32 70

Magnezijum-nitrat 89 45 Parafin 62-64 48-53 Naftalin 80 - Palmitinska-kiselina 63 52

Toplotni rezervoari se mogu proizvesti od raliitih plastinih materijala i neophodno ih je ukopati u zemlju radi toplotne izolacije. Ovako akumulisana toplota se po potrebi moe koristiti za razliite namene, pri emu se akumulisana toplota koristi za zagrevanje vode preko razmenjivaa toplote.


42

5. TEORIJSKI OSNOVI FUNKCIONISANJA EHIE

Elektrohemijski izvor elektrine energije je reaktor u kome se potencijalna, hemijska energija reakcije, u vidu Gibsove energije, prostorno razdvojenih elektrohemijskih reakcija direktno pretvara u elektrinu energiju u obliku jednosmerne struje niskog napona.

Ukoliko mesto odigravanja ukupne elektrohemijske reakcije nije prostorno razdvojeno, oslobaa se energija ali u beskorisnom vidu kao na primer u reakciji rastvaranja cinka oneienog bakrom u sumpornoj kiselini.

Zn

H2SO4

Zn2+

H2

Cu

Zn = Zn2+ + 2e (Cu) 2H+ + 2e = H2 Zn + 2H+ = Zn2+ + H2 (Gr < 0)

Slika 2.1. Rastvaranje cinka oneienog bakrom u kiselini.

Prostornim razdvajanjem elektrodnih reakcija formira se elektrohemijski spreg, kao to je shematski prikazano na slici i izmeu polova sprega se moe odrediti napon koji se naziva elektromotorna sila sprega (Ems).

Zn Cu

CuSO4(aq.)ZnSO4(aq.)

a

VEms= 1.1 V

Slika 2.2. Elektrohemijski spreg: V - voltmetar a - elektrolitiki most.

Konvencija oznaavanja elektrohemiskih spregova

Poto se elektrohemijski spreg sastoji od dve elektrode (negativnije i pozitivnije) i u principu od dva rastvora, ovim redosledom sa leva na desno ispisuje se simbol elektrohemijskog sistema:

negativnija elektroda | rastvor 1 | rastvor 2 | pozitivnija elektroda


43

Uspravne crte oznaavaju granice faza izmeu elektroda i rastvora elektrolita. Ova granica ima poseban smisao. Zbog odreenog znaka naelektrisanja svake od elektroda, oko njih se akumuliraju joni suprotnog znaka. Na taj nain u tankom sloju na povrini elektrode, postoji dvojni sloj suprotnih naelektrisanja - na povrvini elektrode i u jednom tankom sloju rastvora elektrolita u koje su suprotno naelektrisani joni. Ovaj elektrino strukturirani sloj na granici faza, tzv. elektrohiemijski dvojni sloj, odreuje elektrohemijski potencijal elektrode. Iz toga razloga oznaavanje uspravnim crtama ima svoj znaaj i ne treba ih meati proizvoljnim oznakama (crtica, kosa crta i sl.).

Na primer, spreg sa gornje slike se simbolino moe predstaviti:

() Zn | ZnSO4 | CuSO4 | Cu (+)

Elektrina energija iz elektrohemijskog sprega se oslobaa odigravanjem reakcija na

prostorno razdvojenim elektrodama prikljuivanjem potroaa, a taj proces se naziva pranjenje.

Pri tome se na negativnom polu odigrava reakcija oksidacije, a na pozitivnom polu reakcija redukcije.

Na primer, u datom elektrohemijskom spregu cink-bakar, tokom pranjenja se odigravaju sledee reakcije: Cu2+ + 2e = Cu (redukcija)

Zn = Zn2+ + 2e (oksidacija) a ukupna reakcija u spregu je

Zn(s) + Cu 2 +(aq) e2

Cu(s) + Zn 2 +(aq)

Shodno tome, elektrohemijski sistem elektrohemijskog izvora energije je skup osnovnih komponenti koje odreuju elektrohemiju te vrste. Ove osnovne

elektrohemijski i biooobnovljivi izvori energije 2014

Documents