- 1 -

SVEU�ILIŠTE U ZAGREBU

RUDARSKO-GEOLOŠKO-NAFTNI FAKULTET

Studij naftnog rudarstva

OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE

Seminarski rad

Damir Mari�

N 2609

Zagreb, 2007.

- 2 -

SADRŽAJ

1. UVOD 1

2. REZERVE PRIRODNIH NOSITELJA ENERGIJE 1

2.1. REZERVE NEOBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE 2

2. 2. POTENCIJALI OBNOVLJIVIH VRSTA ENERGIJE 2

2.2.1. VODNE SNAGE 3

2.2.2. ENERGIJA MORA 3

2.2.3. ENERGIJA SUN�EVA ZRA�ENJA 3

2.2.4. ENERGIJA VJETRA 4

2.2.5. GEOTERMALNA ENERGIJA 4

2.2.6. BIOMASA 4

2.2.7. VODIK KAO GORIVO BUDU�NOSTI 4

3. OBNOVLJIVI IZVORI 6

3.1. HIDROENERGIJA – ENERGIJA VODENIH TOKOVA 6

3.1.1. HIDROELEKTRANE 7

3.1.2. OSNOVNI DIJELOVI HIDROELEKTRANA 14

3.1.3. KARAKTERISTIKE HIDROELEKTRANA 17

3.1.3.1 HIDROLOŠKE KARAKTERISTIKE 17

3.1.3.2. KARAKTERISTIKE AKUMULACIJE I PADA 17

3.1.3.3. ENERGETSKE KARAKTERISTIKE HIDROELEKTRANA 18

3.1.3.4. GOSPODARSKE KARAKTERISTIKE HIDROELEKTRANA 18

3.1.4. PODIJELA HIDROELEKTRANA 19

3.1.5. HIDROENERGETSKI POTENCIJAL U SVIJETU I HR 22

3.2. ENERGIJA SUNCA 24

3.2.1. FOTONAPONSKI SUSTAVI 25

3.2.2. SOLARNE ELEKTRANE 29

3.2.3. SOLARNI SUSTAVI ZA GRIJANJE I PRIPREMU POTROŠNE TOPLE VODE 30

3.2.4. HLA�ENJE NA SUN�EVU ENERGIJU 32

3.2.5. PASIVNA PRIMJENA SUN�EVE ENERGIJE 33

3.3. ENERGIJA VJETRA 35

3.3.1. VRSTE VJETROELEKTRANA I NJIHOVA PRIMJENA 36

3.3.2. DIJELOVI VJETROELEKTRANE 37

- 3 -

3.3.3. RAZVOJ VJETROENERGETIKE 41

3.4. GEOTERMALNA ENERGIJA 47

3.4.1. GEOTERMALNI IZVORI 48

3.4.2. KLASIFIKACIJA PREMA TEMPERATURI FLUIDA 49

3.4.3 PROIZVODNJA ELEKTRI�NE IZ GEOTERMALNE ENERGIJE 50

3.5. ENERGIJA IZ BIOMASE 53

3.5.1. DRVNA MASA 53

3.5.2. NEDRVNA MASA 54

3.5.3. BIOPLIN 54

3.5.4. BIODIZEL 54

3.5.5. ALKOHOLNA GORIVA 55

4. ZAKLJU�AK 58

- 4 -

POPIS SLIKA

Slika 3-1-1-1. Shema i izvedba hidroelektrane 10

Slika 3-1-1-2. Elektrana koja iskorištava energiju plime i oseke 11

Slika 3-1-1-3. Princip iskorištavanja energije valova 12

Slika 3-1-4. Shema i izvedba ispitinog postrojenja HE na morske struje 13

Slika 3-1-5. Prikaz budu�eg podmorskog hidroenergetskog parka 13

Slika 3-1-4-1. RHE Velebit (Presjek kroz tla�ni cjevovod, strojarnicu i odvodni tunel RHE Velebit) 20

Slika 3-1-5-1. Proizvodnja HE po zemljama 1998. 22

Slika 3-1-5-2. Prostorni razmještaj hidroelektrana u Hrvatskoj 23

Slika 3-2-2-1. Izvedbe solarnih elektrana prema na�inu prikupljanja Sun�evih zraka 29

Slika 3-2-3-1. Dvije osnovne izvedbe kolektora 31

Slika 3-2-4-1. Shema rashladnog ure�aja na Sun�evu energiju 33

Slika 3-3-2-1. Osnovni dijelovi turbine okomitog vratila 37

Slika 3-3-2-2. Izvedbe stupova 40

Slika 3-3-3-1. Brzina vjetra na osovini rotora 41

Slika 3-3-3-2. Utjecaj buke od osnovice stupa 41

Slika 3-3-3-3.. Rast instaliranih vjetroenergetskih kapaciteta u svijetu 46

Slika 3-4-1. Presjek unutrašnjosti Zemljine kugle 47

Slika 3-4-3-1. Shema binarnog postrojenja za pretvorbu geotermalne u elektri�nu energiju

50

Slika 3-4-2. Lindalov temperaturni dijagram korištenja GTE 51

Slika 4-1. HE Three Gorges (Tri klisure) 58

- 5 -

POPIS TABLICA

Tablica 3-1-4. Instalirana snaga i hidropotencijal na svjetskoj razini

21

Tablica 3-4-1. Svjetski geotermalni potencijal (podaci iz 2001. godine, prema Svjetskoj geotermalnoj udruzi)

48

Tablica 3-4-3. Ukupna upotreba GTE u svijetu 2000. 52

Tablica 3-4-4. Pregled direktne upotrebe GTE u svijetu po kategorijama sa usporedbom 1995. i 2000.god.

52

Tablica 3-5-5. Usporedba svojstava alkoholnih goriva i benzina 56

- 6 -

1. UVOD

Energija je po svojoj prirodi uzrok i pokreta� promjena. Adekvatno upotrebljena, nositelj je uspona �ovjeka i njegova progresa. Potrebe za energijom na odre�en na�in odražavaju položaj �ovjeka i društva u cjelini, te je kretanje �ovjekovih potreba za energijom išlo paralelno s razvojem društva.

Energiju kojom raspolažemo dobivamo od Sunca, Zemlje i gravitacijskih sila Sunca, Mjeseca i Zemlje. Prirodne vrste energije su one �iji su potencijali ili nositelji u prirodi. Mogu se podijeliti na dvije osnovne skupine:

-prirodne vrste koje se ne obnavljaju – neobnovljivi izvori energije

-prirodne vrste koje se obnavljaju – obnovljivi izvori energije.

Izme�u obnovljivih i neobnovljivih izvora energije postoje razlike u konstantnosti, mogu�nosti uskladištenja i transporta, ali i glede potrebanih ulaganja za gradnju postrojenja za njihovo korištenje, te troškova za njihov rad i održavanje. Za prakti�no korištenje prirodnih potencijala ili nositelja energije bitna je tehni�ka mogu�nost i ekonomska opravdanost njihova iskorištavanja.

U posljednjih nekoliko desetlje�a, a posebice danas, na po�etku novog tisu�lje�a, obnovljivi izvori imaju sve ve�u ulogu u svjetskoj proizvodnji energije. Iako su neki od njih poznati i koriste se još od davnina (npr. energija vjetra u vjetrenja�ama ili energija vode u vodenicama obnovljivi izvori energije svoje 'mjesto pod suncem' dobivaju u vrijeme prvih tzv. energetskih kriza, sedamdesetih godina prošlog stolje�a. Sve je manje nafte, ugljena i ostalih eksploatiranih dobara, �ija je cijena usporedo s tom �injenicom sve ve�a i ve�a. Uz to, posljednjih godina �ovjeku je sve više o�ito kako je prevelikim iskorištavanjem fosilnih goriva zna�ajno i najvjerojatnije nepopravljivo oštetio životni okoliš, ne samo sebe, ve� i svih vrsta na Zemlji.

Sasvim prirodno, name�e se zaklju�ak da korištenjem sunca i vjetra štedimo materijalna sredstva za postizanje istog cilja koji bismo postigli upotrebom tradicionalnih sredstava uz mnogo ve�e troškove.

2. REZERVE PRIRODNIH NOSITELJA ENERGIJE

Stanje rezervi neobnovljivih izvora energije važan je �imbenik za traženje novih izvora energije, a me�u njima i za ve�i udjel korištenja obnovljivih izvora energije. Što su te rezerve kra�eg vremenskog dosega nužno je intenzivnije tražiti zamjenu za njih.

Rezerve kao i proizvodnja pojedinih energenata su veli�ine koje se mijenjaju s vremenom. Uobi�ajeno je pokazati omjer "dokazanih" rezervi i proizvodnje pojedinih energenata, koji pokazuje koliko �e "dokazane" rezerve trajati uz sadašnji tempo korištenja. Nova otkri�a pojedinih energenata produljuju vijek trajanja rezervi.

Rezultati procjena mogu biti obojeni razli�itim politi�kim ili ekonomskim interesima. Stoga se mora voditi ra�una o riziku ulaganja u daljnja istraživanja pojedinih resursa, o gradnji pojedinih energetskih objekata na zalihama niskog stupnja istraženosti, te o nedovoljno

- 7 -

pouzdanim podacima o mogu�nostima opskrbe energentima sa svjetskog tržišta. Nadalje, rezerve energenata kao i tehnologija njihova korištenja neravnomjerno su raspore�ene u pojedinim dijelovima svijeta, predmet su razli�itih interesa pojedinih zemalja i �esto uzrok njihovog sukobljavanja.

Vjerojatno �e u dogledno vrijeme klasi�ni izvori energije (fosilna goriva) biti sve teže dostupni ili iscrpljeni te stoga za budu�nost treba tražiti nova rješenja. Kod planiranja u energetici treba voditi ra�una i o tome što �e biti "prekosutra" (za 20-50 godina).

Zacijelo �e rješenje trebati tražiti:

- u obnovljivim izvorima energije,

- u procesu fuzije - spajanju laganih atomskih jezgri u teže pri vrlo visokim temperaturama i tlakovima u kojemu procesu dolazi do pretvorbe mase u energiju i

- vodiku kao zamjeni za naftu ili plin.

2.1. REZERVE NEOBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE

Procjenjuje se da bi uz sadašnju potrošnju primarnih energenata, poznate - "dokazane" rezerve fosilnih i mineralnih energenata mogle trajati: ugljen više od 200 godina, nafta oko 40, plin oko 60, uran u klasi�nim reaktorima oko 95, a u reaktorima napredne tehnologije (oplodni - s brzim neutronima) oko 6000 godina. Obi�no su novootkrivene rezerve energenata sve teže dostupne i sve skuplje.

2. 2. POTENCIJALI OBNOVLJIVIH VRSTA ENERGIJE

Kod obnovljivih vrsta energije ne govori se o rezervama nego o potencijalima energije. Potencijalne mogu�nosti obnovljivih vrsta energije nisu konstantne nego se mijenjaju u funkciji vremena. Te promjene mogu biti vrlo brze ili sasvim spore. Statisti�kim pra�enjem promjena potencijala mogu�e je utvrditi prosje�ne raspoložive koli�ine u godini (brzina strujanja vjetra, vodne koli�ine, Sun�evo zra�enje). Poznato je da se ve�ina obnovljivih vrsta energije ne može nagomilati u obliku u kojem se pojavljuje. To su samo vodne snage, i to kad je mogu�a i ekonomski opravdana gradnja akumulacijskih jezera. Isto tako poznato je da se te vrste energije ne mogu transportirati u obliku u kojem se pojavljuju.

- 8 -

2.2.1. VODNE SNAGE

Vodne su snage jedan od obnovljivih izvora energije. Godišnje se sa Zemlje ispari oko 400×1012 m3 vode. Najve�i se dio te vode na Zemlju vra�a kao padalina. Na kopno padne otprilike 100×1012 m3 , od toga se 63 % ponovno ispari, a ostatak protje�e vodotocima u more. Kontinenti imaju prosje�nu nadmorsku visinu 800 m, pa ukupna energija koja se godišnje može dobiti je oko 80×103 TWh. Od toga je tehni�ki iskoristivo oko 20×103 TWh. Dosad je iskorišteno samo 18 % vodne snage, u Europi oko 40 %, Africi 2%, a u Hrvatskoj oko 58 %.

2.2.2. ENERGIJA MORA

Energija mora je energija plime i oseke, energija morskih struja i valova, te energija koja je posljedica termi�kih razlika i razli�itog saliniteta. Korištenje energije plime i oseke je veoma staro. Prvi mlin na plimu i oseku radio je ve� u XI. stolje�u. Procjenjuje se da je ukupna energija plime i oseke oko 23000 TWh godišnje. Me�utim, ona se prakti�no malo iskorištava. Naime, potrebne su amplitude ve�e od osam metara.

U nekim zonama oceana s jakim vjetrom stvaraju se veliki morski valovi. Valovi se razlikuju visinom, dubinom i brzinom, pa je i njihova energija ovisna o tim veli�inama. To zna�i da valovi imaju potencijalnu i kineti�ku energiju. Snaga valova procjenjuje se približno na 2×109 kW. Neke zemlje, npr. Japan, Velika Britanija i Danska, dosta ulažu u ispitivanja korištenja energije valova.

Oceanske struje su snažne struje s golemim koli�inama vode. One, preko morske površine i razlike u temperaturi uvelike djeluju na klimu. Smatra se da su protoci morskih struja ve�i nego protoci svih rijeka na zemlji.

Toplinska energija mora izazov je još od 1881. godine, kada je napravljena prva toplinska crpka. Koli�inu toplinske energije mora teško je procijeniti zbog dubinskih strujanja, koli�ine tih strujanja te njihove brzine. Osim toga u moru je neprestan radioaktivni raspad.

2.2.3. ENERGIJA SUN�EVA ZRA�ENJA

Koli�ina energije Sun�eva zra�enja na površini Zemlje ovisi o geografskoj širini, godišnjem dobu i dužini dana. Intenzitet Sun�eva zra�enja mijenja se tjekom godine. Iako je energija Sunca golema, njezine oscilacije, nemogu�nost skladištenja i cijena limitiraju�i su �imbenik za ve�u iskorištenost. Zasad se koristi za dobivanje tople vode, grijanje prostrojenja i proizvodnju elektri�ne energije. Solarne elektrane pomo�u fotonaponskih �elija pretvaraju solarnu energiju u elektri�nu energiju. Solarne �elije proizvode napone od 0,5 do 0,7 V i jakosti struje do 20 mA/cm2. Površina svake �elije je od 5 do 10 cm2. �elije se mogu spajati serijski i paralelno, pa se dobiju moduli solarnih �elija. Cijena elektri�noj energiji dobivenoj fotonaponskim �elijama je dosta visoka, ali se ipak koristi (sateliti, svjetionici, izolirana planinska podru�ja, otoci, itd.).

- 9 -

2.2.4. ENERGIJA VJETRA

Vjetar je posljedica razli�ito zagrijavane atmosfere i Zemljine površine Sun�evim zra�enjem. Dva su razli�ita gibanja zraka: vertikalno i horizontalno. Energija vjetra je kineti�ka energija, pa je vrlo važno poznavati brzinu vjetra. Brzina vjetra se neprestano mjenja, što podsustav regulacije vjetroturbinskog agregata �ini složenim. Teorijski koli�ine energije vjetra procjenjuju se na približno 2,5×1012 TWh godišnje, a od toga bi se moglo koristiti oko 104 TWh godišnje.

2.2.5. GEOTERMALNA ENERGIJA

Geotermalna energija obuhva�a samo onaj dio energije koji se može pridobiti iz Zemljine unutrašnjosti i koristiti u energetske svrhe. Za mogu�nost iskorištavanja topline iz Zemlje bitan je toplinski (geotermalni) gradijent. Geotermalnim izvorima zovemo izvore vrele vode ili vodene pare. Takvi su izvori naj�eš�e u tektonski aktivnom podru�jima ( Tihi ocean, Novi Zeland, Island i Južna Europa). Veliki dio vru�ih izvora ima preniske temperature za proizvodnju vodene pare, pa se koristi za grijanje prostora upotrebom toplinskih pumpi i sli�ne namjene. Procjenjuje se da od svih geotermalnih izvora samo 4 % mogu osigurati paru za pogon parnih turbina.

2.2.6. BIOMASA

Biomasa se može definirati kao svi tipovi životinjskih i biljnih materijala koji se mogu pretvoriti u energiju. To uklju�uje drve�e i grmlje, travu, alge, vodene biljke, poljoprivredne i šumske ostatke, te sve oblike otpadaka. Procjenjuje se da se biomasom može podmiriti od 5 do 13 % potreba u energiji. Me�u zemljama u razvoju biomasa je najvažniji izvor energije, poglavito u ku�anstvima. Biomasa ili organska tvar, koja je polazna to�ka za procese pretvorbe energije, dobiva se na pet na�ina: prirodnom vegetacijom, specifi�nim energetskim prirodom uzgojnim samo zbog energetskog sadržaja, šumama koje brzo rastu, otpacima iz agroindustrijskih procesa ili ostacima iz poljoprivrede, te algama iz mora ili uzgojenima u jezerima. U svijetu se biomasa upotrebljava za dobivanje toplinske i elektri�ne energije. U našoj zemlji se iskorištava u malim koli�inama, ali se planira mnogo ve�e dobivanje energije iz biomase.

2.2.7. VODIK KAO GORIVO BUDU�NOSTI

Zbog sve skuplje nafte u mnogim se zemljama traže mogu�nosti njezine zamjene. Razlozi su ekonomski i politi�ki. Ekonomski je razlog visoka cijena, a politi�ki ovisnost o mogu�nosti nabave. Vodik je najjednostavniji i najlakši kemijski element. Smjesa vodika i kisika dovoljno zagrijana eksplodira uz razvijanje velike koli�ine topline. Smjesa vodika i klora eksplodira �im se izvrgne svjetlu, a smjesa vodika i floura eksplodira i u mraku. Vodik može biti kemijska osnova za industriju, a može biti pogonsko gorivo za elektrane i prijevozna sredstva. Vodik se lako može transportirati. U prirodi ga ima dosta, ali u razli�itim spojevima. Razlog

- 10 -

što nije zamijenio naftu je visoka cijena njegova dobivanja. Do sada su poznate ove metode dobivanja vodika:

-rastvaranjem vodene pare usijanim ugljikom

-elektrolizom vode

-izdvajanjem vodika iz koksnog plina

- rastvaranjem vodene pare usijanim željezom

-djelovanjem kiselina na cink

-rastvaranjem teku�eg amonijaka

-dobivanje vodika strujom iz solarnih �elija

- 11 -

3. OBNOVLJIVI IZVORI

Sun�evo zra�enje osnovni je izvor obnovljivih izvora energije na Zemlji. I sva fosilna goriva, po organskoj teoriji njihova nastanka, rezultat su dugotrajne pretvorbe biomase koja je tako�er nastala djelovanjem Sun�eva zra�enja, a ta goriva se danas mnogo brže troše nego što procesima u Zemlji nastaju.

Osim Sun�evog energetskog toka izvor energije na Zemlji je i geotermi�ka energija, dakako u znatno manjem udjelu i gravitacija planeta u još manjem. Oko 30% energetskog toka Sunca na Zemlju reflektira se izravno u Svemir, a preostalih oko 70% te energije sudjeluje u razli�itim procesima konverzije na Zemlji i osloba�a se kao energetski tok Zemlje. Oko 45% ukupnog energetskog toka pretvara se u toplinu okoline, koja ponovno završi u Svemiru. Oko 22,5% Sun�eva toka troši se na isparavanje i padaline na Zemlji. Vjetar, valovi i morske struje �ine oko 2,5% toga toka. Cjelokupna bioprodukcija na zemlji �ini tek 0,1% energetskog toka Sunca na Zemlju i dijelom sudjeluje u proizvodnji fosilnih goriva. Teku�e vode �ine samo 0.003% tog energetskog potencijala i dijelom �ine potrošnju primarnih energenata (hidroenergija). Radi usporedbe vrijedno je istaknuti da cjelokupna godišnja svjetska potrošnja (bilan�nih - komercijalnih) primarnih energenata �ini tek oko 0.007% energetskog toka Sunca na Zemlju.

Širok je spektar mogu�nosti dobivanja razli�itih vrsta energije obnovljivim izvorima.

Postoje brojne mogu�nosti korištenja i pretvorbe obnovljivih izvora u druge oblike energije prikladne za korištenje. Treba ih koristiti, ako zadovoljavaju odre�ene uvjete.

O�ito je da je veoma velik - nepresušan energetski potencijal obnovljivih izvora energije na Zemlji (oko 14 tisu�a puta više energije do�e na Zemlju u godini dana nego što je ukupna potrošnja primarnih energenata u svijetu u istom razdoblju). Stoga ne prijeti energetska kriza na Zemlji sa iscrpljivanjem neobnovljivih izvora energije.

3.1. HIDROENERGIJA – ENERGIJA VODENIH TOKOVA

Hidroenergija potje�e od nekoliko izvora. Sun�eva je energija uzrok kretanja vode u prirodi, što daje energiju vodotokova (rijeka i potoka) i valova, koja se stolje�ima koristila za dobivanje mehani�kog rada u vodenicama, a danas se naj�eš�e koristi za dobivanje elektri�ne energije u hidroelektranama raznih izvedbi.

Pod pojmom hidroenergije obuhva�ene su sve mogu�nosti za dobivanje energije iz strujanja vode u prirodi:

• iz kopnenih vodotokova (rijeka, potoka, kanala i sl) • iz morskih mijena: plime i oseke • iz morskih valova.

Kopneni vodotokovi potje�u od kruženja vode u prirodi pa njihova energija, zapravo, potje�e od Sun�eve. Morski valovi, barem oni koji su uzrokovani vremenskim prilikama zbog �ega su prili�no pravilni i mogu se iskorištavati, tako�er potje�u od Sun�eve energije. Osim njih,

- 12 -

postoje još i valovi koji nastaju zbog djelovanja Zemljine kore, primjerice vulkana ili potresa, ali zbog razornog djelovanja nisu prikladni za korištenje. Za razliku od njih, energija morskih mijena potje�e od me�udjelovanja Mjeseca i Zemlje.

3.1.1. HIDROELEKTRANE

Hidroelektrane su energetska postrojenja koja energiju vodotoka pretvaraju u elektri�nu energiju. Ukupna instalirana snaga svih svjetskih hidroelektrana iznosi 670 000 MW, što je ekvivalentno s 3,6 milijuna toe. 1991. godine ukupna svjetska instalirana snaga hidroelektrana je iznosila 2210 TWh, a pretpostavlja se da �e do 2010. taj broj iznositi 3800 TWh. Hidroelektrane su najbrojniji predstavnik energana obnovljivih izvora energije. Energija vode u vodotoku je energija tlaka, energija položaja i kineti�ka energija, a one se preko turbine pretvaraju u mehani�ku energiju.

Mehani�ku snagu koju daje voda koja pada znali su iskoristiti još i u davnoj Gr�koj i Rimu prije 2000 godina, gdje je ta snaga korištena za pokretanje vodenih mlinova za mljevenje žita ili kukuruza. U 18. stolje�u dolazi do renesanse hidroenergije i masovno se po�inju graditi razni mlinovi, pumpni mehanizmi, dizalice, itd. Moderna hidroenergija svoj razvoj duguje britanskom gra�evinaru Johnu Smeatonu, koji je izradio prvi vodeni kota� iz lijevanog željeza. Hidroenergija je imala zna�ajan utjecaj na Industrijsku revoluciju kao glavni uzro�nik razvoja i pove�anja proizvodnje tekstilnih i sli�nih industrija, iako je parni stroj ve� bio izumljen. Tako�er je potakla razvitak europskih i ameri�kih gradova u ranoj fazi industrijalizacije, i bila jedan od primarnih energenata za probijanja morskih kanala (Sueski kanal, Panamski kanal) kojima je sredinom 19. st. dovožen jeftini ugljen u industrijske zone.

Prva hidroelektrana izgra�ena je 1880. godine u Northumberlandu, najsjevernijem engleskom gradu. Nakon masovne i gotovo ekskluzivne uporabe ugljena kao primarnog energenta, za preporod hidro energije je kriv razvoj elektri�nog generatora, usavršavanje vodenih turbina, i porast potražnje za energijom na prijelazu u 20. stolje�e. Zemlje u kojima je danas hidroenergija glavni izvor za proizvodnju elektri�ne energije su Norveška sa udjelom od 99%, Zair sa 97% i Brazil sa 96% energije dobivene iz hidroelektrana od ukupno proizvedene energije.

Iskorištavanje energije vodnog potencijala ekonomski je konkurentno proizvodnji elektri�ne energije iz fosilnih i nuklearnog goriva, zato je hidroenergija najzna�ajniji obnovljivi izvor energije. U zadnjih trideset godina proizvodnja u hidroelektranama je utrostru�ena, a njen udio pove�an je za 50 %, za to je vrijeme proizvodnja u nuklearnim elektranama pove�ana za 100 puta, a udio oko 80 puta. Ti podaci pokazuju da se proizvodnja u hidroelektranama brzo pove�ava, ali zna�ajno zaostaje za proizvodnjom u nuklearnim (ali i termoelektranama). Razlog takvom stanju leži u �injenici da iskorištavanje hidroenergije ima bitna tehni�ka i prirodna ograni�enja. Glavno ograni�enje jest zahtjev za postojanjem obilnog izvora vode kroz cijelu godinu jer je skladištenje el. energije skupo i vrlo štetno za okoliš, osim toga na odre�enim lokacijama je za poništavanje utjecaja oscilacija vodostaja potrebno izgraditi brane i akumulacije. Njihovom izgradnjom zna�ajno se pove�ava investicija, utjecaji na okoliš, potrebna je zaštita od potresa, a u zadnje vrijeme postoje i zna�ajne teroristi�ke prijetnje.

- 13 -

Utjecaji na okoliš dijele sa na:

• fizi�ke faktore: koli�ina vode i kvalitet površinskih voda, klimatski faktori, kvalitet zraka, geologija i seizmologija, erozija, promjena pejzaža

• biološke: riblji fond, biljni i životinjski svijet, vodni i eko sistemi • socioekonomske faktore: ljudske aktivnosti (vodoopskrba, poljoprivreda, kontrola

poplava, transport-putevi), korištenje zemljišta, zdravstvo te arheološki i historijski

U ve�ini slu�ajeva potapa se kvalitetno zemljište, a u zamjenu se dobiva manje kvalitetno zemljište, u nekim slu�ajevima postoji nužnost iseljavanja lokalnog stanovništva, uništava se zdrava šuma, nestaje vegetacija, svi postoje�i objekti na mjestu potapanja uklanjaju se ili ostaju potopljeni. Danas je u svijetu iskorišteno oko 25 % raspoloživog vodnog potencijala, a neiskorištena ve�ina nalazi se u nerazvijenim zemljama. Takavo stanje je s jedne strane dobro jer se u budu�nosti najve�i porast potrošnje o�ekuje upravo u nerazvijenim zemljama. Hidroelektrane se zna�ajno koriste u proizvodnji elektri�ne energije iz više razloga:

• Nema troškova goriva, voda je besplatna, pod uvjetom da je ima u dovoljnoj koli�ini. Puštanje hidroelektrane u pogon vrlo je brzo, te se koriste za pokrivanje naglih pove�anja potrošnje

• Moderne hidroelektrane mogu do 90% energije vode pretvoriti u elektri�nu energiju. • Ne postoji utjecaj pove�anja cijene goriva, a svjedoci smo velikih pove�anja u zadnjih

nekoliko godina • Neovisnost o uvozu goriva • Hidroenergija je glavni izvor obnovljive energije i predstavlja 97% energije

proizvedene svim obnovljim izvorima elektriène energije. • Hidroenergija je �ista, nema otpada. Postoje doprinosi efektu staklenika (uništavanje

vegetacije, truljenje), ali su u ve�ini slu�ajeva zanemarivi u odnosu na termoelektrane i sl.

• Umjetna jezera nastala izgradnjom hidroelektrana lokalno doprinose ekonomiji i omogu�avaju navodnjavanje, vodoopskrbu, turizam i rekreaciju

Snaga postrojenja i proizvedena energija ovise o:

1. Raspoloživom vodenom padu. Visina pada ovisi o visini brane, što je pad ve�i, postoji ve�i energetski potencijal. Energetski potencijal je direktno proporcionalan visini pada, tako da ista koli�ina vode, ukoliko pada sa dva puta ve�e visine proizvodi duplo više elektri�ne energije.

2. Raspoloživom protoku vode. Elektri�na snaga i energija tako�er su direktno proporcionalni koli�ini vode koja prolazi kroz turbinu. Dva puta ve�a koli�ina vode proizvest �e dva puta više elektri�ne energije kod iste visine vodenog pada.

Ovisnost snage o navedenim veli�inama izražena je sljede�im izrazom: P = � * Q * h * �w * g

P - Snaga [W] � - stupanj iskoristivosti postrojenja

- 14 -

Q - raspoloživi protok vode [m3/s] h - raspoloživi vodeni pad [m] �w - gusto�a vode [kg/m3] g - ubrzanje sile teže [m/s2]

Voda u akumulacijskom jezeru je zapravo uskladištena energija. Kada se zaslon na brani otvori voda pote�e kroz cjevovod pove�avaju�i svoju kineti�ku energiju. Koli�ina generirane elektri�ne energije se odre�uje s nekoliko faktora. Dva najvažnija faktora su maseni protok vode i raspoloživi vodeni pad. Raspoloživi vodeni pad je parametar koji ozna�ava udaljenost od površine vode do turbina. Kako raspoloživi vodeni pad i maseni protok vode rastu, tako raste i koli�ina proizvedene struje. Raspoloživi pad je u ve�ini slu�ajeva ovisan o koli�ini vode u akumulacijskom jezeru.

Hidroelektrane su u�inkovitija postrojenja od termoelektrana. Kao što je prethodno spomenuto, predstavljaju energane obnovljivih izvora energije. S tim u vezi, i s obzirom da je hidroenergija jedini obnovljivi izvor energije iz kojeg je mogu�e dobiti ve�e snage, u interesu je graditi što više hidroelektrana. Me�utim, postoje odre�ene prepreke. Ve�ina pogodnih lokacija za izgradnju hidroelektrana je ve� iskorištena i ostaju samo manje pogodne lokacije na kojima je smanjena u�ikovitost elektrane i za �iju je gradnju potrebno raditi i ve�e promjene u okolišu. Još uvijek je dovoljno projekata malih hidroelektrana, kod kojih su rizici lošeg utjecaja na okoliš mnogo manji, a energetske potrebe i sigurnost investicije mnogo ve�i. Tako su u razvoju mnogi projekti u zemljama u razvoju, posebno u Brazilu.

Hidroenergija se tradicionalno smatra �istom i ekološkom. Proizvodnja elektri�ne energije u hidroelektranama ne zaga�uje atmosferu, ne pridonosi stvaranju kiselih kiša i ne uzrokuje stvaranje otrovnog otpada. Ipak, gradnja hidroelektrana uzrokuje promjene u ekosustavu rije�nih tokova na kojima se grade. U�inci koje hidroelektrana može imati na ekosustav zavise o ova 4 �imbenika:

1. Veli�ina i brzina protoka rijeke ili sl. na kojoj je hidroelektrana locirana 2. Klimatski uvjeti i oblik sredine prije gradnje elektrane 3. Vrsta, veli�ina i konstrukcija elektrane i na�in na koji je pogonski vo�ena 4. Ako postoji više od jedne elektrana na istoj rijeci, i ako nisu relativno blizu jedna

drugojoj, mogu�e je da u�inci na ekosustav jedne elektrane su zavisni o u�incima druge elektrane

�imbenici 1 i 2 zavise od spektra kompleksnih geoloških, zemljopisnih i meteroloških uvjeta. Ova dva �imbenika su najbitniiji faktor pri odre�ivanju veli�ine, vrste, konstrukcije i na�ina na koji �e budu�a elektrana raditi. Loše posljedice koje gradnja hidroelektrane može imati na okoliš su sljede�e:

• Usporenje toka rijeke radi stvaranja akumulacijskih jezera i pove�anje prosje�ne temperature vode

• Pove�anje udjela dušika u rje�noj vodi • Sedimentacija i erozija • Poplave • Klimatske promjene

- 15 -

• Potencijalno pove�anje tektonske aktivnosti podru�ja • Potencijalno izumiranje nekih biljnih ili životinjskih vrsta • Poreme�enje migracija ribljih vrsta

Hidroelektranu u širem smislu �ine i sve gra�evine i postrojenja koje služe za prikupljanje (akumuliranje), dovo�enje i odvo�enje vode (brana, zahvati, dovodni i odvodni kanali, cjevovodi itd), pretvorbu energije (turbine, generatori), transformaciju i razvod elektri�ne energije (rasklopna postrojenja, dalekovodi) te za smještaj i upravljanje cijelim sustavom (strojarnica i sl).

Slika 3-1-1-1. Shema i izvedba hidroelektrane

zahvat vode

branakumulacijsko

odvod vode

strojarnica

dalekovodi

generator

transformatori

kontrolna vrata dovod

vode turbina

- 16 -

Hidroelektrane na plimu i oseku

Plima i oseka se odavno iskorištavaju kao energetski izvor. Hidroelektrane koje se koriste energijom plime i oseke posebne su izvedbe. Osim toga potreban je, uz amplitudu izme�u 4 i 12 m, pogodan zaljev koji se može lako pregraditi, �ime se dobiva dovoljno velik akumulacijski bazen. Strojarnica se ugra�uje u samu branu. Prema na�inu korištenja vode dvije su izvedbe:

-postrojenja s jednostrukim iskorištenjem vode

-postrojenja s dvostrukim iskorištenjem vode.

Postrojenja s jednostrukim iskorištavanjem vode imaju jedan akumulacijski bazen i turbine koje rade samo u jednom smjeru. Bazen se puni za vrijeme plime. Tada se otvaraju zapornice, a turbine ne rade. Korisni pad, nastao zbog razine vode u bazenu i morske vode, koristi se samo za vrijeme oseke. U takvu su pogonu �etri faze rada. U prvoj fazi, za vrijeme plime, akumulacijski se bazen puni dok se ne postigne maksimalna razina vode. U drugoj se fazi zatvaraju zapornice, i bazen je pun dok ne po�ne oseka. U tre�oj se fazi pokre�u turbine, i voda iz bazena otje�e u more sve dok se ne postigne maksimalni pad. U �etvrtoj se fazi turbine zaustave i �eka se izjedna�enje razine u moru i bazenu, a onda ponovno po�inje punjenje bazena i tako redom. U takvim se postrojenjima more može crpsti u bazen. Crpljenje po�inje kada je razina vode u bazenu najve�a. Ono pove�ava energetsku vrijednost postrojenja, jer se voda crpi pri malim razlikama razina, a koristi se ve�im, tj. pri ve�em padu. Jednostruka postrojenja mogu raditi u turbinskim pogonima i za vrijeme plime, a bazen se prazni za oseke kroz zapornice. Me�utim, ve�i se pad ostvaruje u prvom primjeru.

Postrojenja s dvostrukim iskorištavanjem vode imaju bazen i turbine, a energiju vode koriste u oba smjera, tj. za vrijeme plime i za vrijeme oseke. Time se vrijeme iskorištavanja postrojenja produljuje. No konstrukcija tih hidroelektrana je mnogo složenija i skuplja. Istodobno, dvostrukim korištenjem vode ne postiže maksimum plime kao kod jednostrukog pogona. Da bi se uklonio taj nedostatak, turbine se koriste i kao crpke. Turbine po�inju raditi kao crpke u trenutku kada je razina vode u moru i bazenu izjedna�ena. Crpljenje se odvija do unaprijed odre�ene razine, koja ne mora biti jednaka maksimumu plime. Crpsti se može i pri oseki, me�utim, tada turbine moraju raditi kao dvosmjerne turbine i kao dvosmjerne crpke.

Zbog stalnog variranja veli�ine pada vode, koji se ovdje koristi u oba slu�aja, snaga tih postrojenja nije stalna, tj. varira izme�u maksimalne i minimalne. Mogu�a proizvodnja elektri�ne energije u takvim HE izravno je proporcionalna površini bazena koji nastaje pregradnjom zaljeva i kvadratu amplitude plime. Ako su plime dovoljno velike, gradnja takvih elektrana je ekonomi�na. Naime, pri gradnji elektrane najskuplja je pregradnja, odnosno brana. Za takve HE povoljne su zapadne obale Francuske i obale Engleske, gdje su

Slika 3-1-1-2. Elektrana koja iskorištava energiju plime i oseke

- 17 -

plime oko 12 m. Na uš�u rijeke La Rance u Francuskoj je 1966. godine podignuta prva hidroelektrana na plimu i oseku u svijetu.

Hidroelektrane na energiju valova

Energija valova je oblik transformirane Sun�eve energije koja stvara stalne vjetrove na nekim dijelovima Zemlje. Ti vjetrovi uzrokuju stalnu valovitost na odre�enim podru�jima i to su mjesta na kojima je mogu�e iskorištavanje njihove energije. Veliki problem kod takvog iskorištavanja energije je da elektrane treba graditi na pu�ini jer u blizini obale valovi slabe. To znatno pove�ava cijenu gradnje, ali nastaju i problemi prijenosa te energije do korisnika. Rezultati u trenutnoj fazi dospjeli su tek do prototipova i demonstracijskih ure�aja. Na slici se vidi princip pretvorbe energije valova u elektri�nu energiju. Prema slici se vidi da se energija valova prvo pretvara u strujanje zraka, u posebno izvedenim kanalima dolazi do velikog strujanja zraka koje pokre�e turbinu. Amplituda valova mora biti velika da bi pretvorba bila u�inkovitija.

Iskorištavanje morskih struja nastalih uslijed plime i oseke

Da bi se smanjili veliki kapitalni troškovi razvijene su turbine koje rade na istom na�elu kao vjetroelektrane , ali koriste�i energiju morskih struja izazvanih plimom i osekom u kanalima. Njihova prednost je u pouzdanoj periodi�nosti morskih struja �iju energiju koriste. Dva su projekta financirana od energetrskog programa europske komisije: Devon i Kvasalund.

Devon

Prva elektrana koja koristi energiju gibanja morskih struja podignuta je tek nedavno. To�nije re�eno,radi se o ispitnom postrojenju pod nazivom Seaflow koje je smješteno 2 km od obale Devona u Velikoj Britaniji i njime se žele istražiti mogu�nosti i ocijeniti isplativost takvog na�ina proizvodnje elektri�ne energije. Pri tome treba napomenuti da se elektrana se sastoji od nosive �eli�ne konstrukcije visine 42 m, debljine 2 m i mase 80 t, rotora turbine promjera 11 m koji se posebnim mehanizmom spušta na dubinu 2,5 m iznad morskog dna te, dakako, sve ostale potrebne opreme .

Slika 3-1-1-3. Princip iskorištavanja energije valova

- 18 -

Slika 3-1-4. Shema i izvedba ispitinog postrojenja HE na morske struje

Mali broj okretaja ne ugožava populaciju riba. Ure�aj je konstruiran da se može izvaditi iz vode tako da se popravci mogu obavljati na suhom.Podaci za prosje�nu i maksimalnu brzinu struje nisu poznati. Za sada je osnovni cilj projekta do 2006. godine razviti prototip dvorotorskog postrojenja nazivne snage 1,2 MW koji �e u�inkovito proizvoditi elektri�nu energiju. Nakon toga se može o�ekivati izgradnja podvodnog hidroenergetskog parka sukupno 20 turbina koji �e se po proizvodnji mo�i mjeriti sa zasada najve�im svjetskim morskim vjetroparkom Horsrev u Danskoj.

Slika 3-1-5. Prikaz budu�eg podmorskog hidroenergetskog parka

Kvalsundski kanal

Brzina struje u kanalu iznosi 2,5 m/s (najviša brzina periodi�ke prirode). Treba je biti ugra�ena prototipna turbina snage 300 kW ukupnih procjenjenih troškva od US $11 milliona. Turbina ima podesive lopatice radiusa 10 m pri �emu se ugra�uje na dubinu od 50m sa centrom rotacije 20m od morskog dna. Ukupna masa ure�aja je 200 T. Zbog spore rotacije

razina mora

morsko dno

rotor

generator

reduktor

- 19 -

lopatica pretpostavlja se da nema negativan utjecaj na migraciju riba , velika dubina omogu�ava nesmetan prolazak brodova iznad turbine. Postoji objektivni problem održavanja zbog potrebe obavljanja svih poslova pod vodom.

3.1.2. OSNOVNI DIJELOVI HIDROELEKTRANE

U osnovne dijelove hidroelektrane ubrajaju se:

-brana ili pregrada na vodotoku

-zahvat vode

-dovod vode

-vodostan ili vodena komora

-tla�ni cjevovod

-obilazni cjevovod

-turbina

-sustav zaštite od hidrauli�kog udara

-generator

-strojarnica

-rasklopno postrojenje

-odvod vode.

Svi dijelovi koji su pri tome u neposrednom doticaju s vodom, odnosno služe za njezino prikupljanje, dovo�enje i odvo�enje te pretvorbu njezine energije nazivaju se zajedini�kim imenom hidrotehni�ki sustav.

Brana ili pregrada osnovni je dio hidrotehni�kog sustava pa i cijelog postrojenja HE (nerijetko se cijelo hidroenergetsko postrojenje jednostavno naziva ‘branom') i ima trostruku ulogu:

• skretanje vode s prirodnog toka prema zahvatu • povišenje razine vode kako bi se pove�ao pad • ostvarenje akumulacije.

S obzirom na visinu, brane mogu biti visoke i niske, a s obzirom na izradu masivne (npr. betonske) ili nasute (npr. zemljane, kamene). Niske se brane nazivaju i pragovima, što je �est slu�aj kod malih vodotokova, odnosno kod malih hidroelektrana.

- 20 -

Zahvat vode prima i usmjerava vodu zadržanu u akumulaciji prema dovodu, odnosno turbini. Može se izvesti na površini vode ili ispod nje. Kada je pregrada niska i razina vode gotovo konstantna izvodi se na površini, dok se ispod površine i to na najnižoj mogu�oj razini izvodi u slu�aju kada se razina vode tijekom godine zna�ajno mijenja. Prolaz vode kroz zahvat se regulira zapornicama.

Dovod vode je dio hidrotehni�kog sustava koji spaja zahvat s vodostanom, odnosno s vodenom komorom. Ovisno o izgledu okolnog tla i pogonskim zahtjevima, može biti:

• otvoren (kanal) • zatvoren (tunel), koji može biti gravitacijski ili tla�ni.

Gravitacijski tunel nije posve ispunjen vodom pa za promjenu protoka vode valja regulirati zahvat, dok kod tla�nog tunela voda ispunjava cijeli popre�ni presjek i za promjenu protoka ne treba utjecati na zahvat. S gledišta elasti�nosti pogona (mogu�nosti odgovaranja na promjene u elektroenergetskom sustavu) tla�ni su kanali povoljniji jer bolje mogu pratiti promjenu optere�enja.

Vodostan ili vodena komora predstavlja zadnji dio dovoda, a služi za odgovaranje na promjene optere�enja. Kada je dovod izveden kao gravitacijski tunel, mora imati odgovaraju�i volumen kako se u njemu mogle pohraniti ve�e koli�ine vode, a kada je tunel tla�ni, njegove dimenzije moraju biti takve da tlak u dovodu ne poraste preko dopuštene granice ili da razina vode ne padne ispod visine ulaza u tla�ni cjevovod.

Tla�ni cjevovod dovodi vodu od vodostana do turbina. Izra�uje se o �elika ili betona (kod manjih padova), a prema smještaju može biti na površini ili u tunelu. Na ulazu u njega obvezno se nalazi zaporni organ kojim se sprje�ava daljnje protjecanje vode u slu�aju pucanja cijevi. Ispred glavnog zapornog organa redovito se postavlja i pomo�ni, koji omogu�ava bilo kakve radove na glavnom bez potrebe za pražnjenjem sustava. Obilazni cjevovod je smješten na po�etku tla�nog i služi za njegovo postupno punjenje te za izjedna�avanje tlaka ispred i iza zapornog organa.

Vodene turbine ili hidroturbine predstavljaju središnji dio sustava jer služe za pretvaranje kineti�ke energije strujanja vode u mehani�ku energiju vrtnje vratila turbine, odnosno generatora. Ovisno o na�inu prijenosa energije vodotoka na njih turbine mogu biti:

• impulsne • reakcijske koje mogu biti radijalne i aksijalne.

Turbine se �esto dijele i prema izvedbi, u pravilu prema imenu konstruktora ili proizvo�a�a pa postoje Francisove, Peltonove, Kaplanove, Bankijeve, Ossbergerove itd.

Sustav zaštite od hidrauli�kog udara služi za sprje�avanje pove�anja tlaka preko dopuštene granice, odnosno vodenog (hidrauli�kog) udara u tla�nom cjevovodu. Visina tlaka pri tome ovisi o vremenu potrebnom za zatvaranje zapora na dnu cjevovoda.

Generator je ure�aj u kojem se mehani�ka energija vrtnje vratila pretvara u elektri�nu. Može biti postavljen okomito (kod velikih hidroelektrana) ili vodoravno (kod manjih ili kada su dvije turbine spojene na jedan generator). U osnovi proces se sastoji od rotacije serija magneta

- 21 -

unutar namotaja žica. Ovime se ubrzavaju elektroni, koji proizvode elektri�ni naboj. Broj generatora zavisi od elektrane do elektrane.

Osnovni djelovi svakog generatora su:

• Osovina • Uzbudni namot • Rotor • Stator

Kako se turbina okre�e uzbudni namot šalje elektri�ni napon rotoru. Rotor prestavlja seriju velikih elektromagneta koji se okre�u unutar gustih namotaja bakrenih žica, koje prestavljaju stator. Magnetsko polje izme�u magneta i ži�anih namotaja stvara elektri�ni napon. Kod crpno-akumulacijskih hidroelektrana uz turbinu i generator se na istom vratilu nalazi i crpka pa generator može raditi i kao motor.

Transformator na izlazu iz elektrane pove�ava napon izmjeni�ne struje (smanjuju�i jakost struje) da bi se smanjili gubici prijenosa energije.

Strojarnica je gra�evina u kojoj su smještene turbine, vratila, generatori te svi potrebni upravlja�ki i razni pomo�ni ure�aji. Može biti izgra�ena na otvorenom, kao samostoje�a zgrada ili ukopana, u tunelu.

Rasklopno postrojenje predstavlja vezu hidroelektrane i elektroenergetskog sustava. Izvodi se u neposrednoj blizini strojarnice, a tek iznimno (ako je to uvjetovano okolnim tlom) dalje od nje.

Dalekovodi iz svake elektrane vode dalekovodi, koji osim stupa dalekovoda redovito imaju i 4 vodi�a. Tri nose struju napona koja izlazi iz transformatora, istog iznosa i me�usobno pomaknutih u fazi za 120 stupnjeva, dok �etvrta prestavlja nul-vodi�.

Odvod vode je završni dio hidrotehni�kog sustava, a može biti izveden kao kanal ili kao tunel. Služi za vra�anje vode iskorištene u turbini natrag u korito vodotoka ili za dovod vode do zahvata sljede�e elektrane.

- 22 -

3.1.3. KARAKTERISTIKE HIDROELEKTRANA

Osnovne karakteristike hidroelektrana su hidrološke karakteristike, akumulacije i pada, te energetske i ekonomske karakteristike.

3.1.3.1 HIDROLOŠKE KARAKTERISTIKE

Da bi se mogla odrediti potencijalna energija vodotoka, potrebno je znati kolika je koli�ina vode u vodotoku. Koli�ina vode u vodotoku i njezin vremenski raspored ovisi o nizu faktora, od kojih su najvažniji: koli�ina oborina, sastav i topografija terena, biljni i životinjski svijet, temperatura okoliša i sli�no. Koli�ina vode mijenja se iz dana u dan. Visina vode vodotoka zove se vodostaj. Da bi se dobila približna slika o tzv. srednjem vodostaju, vodostaj se mora mjeriti svaki dan. Na osnovi dnevnih vodostaja mogu se dobiti tjedni, mjese�ni i godišnji. Me�utim, kako se godine po padalinama razlikuju, za ocjenu vodostaja mjerodavno je višegodišnje razdoblje, naj�eš�e �etrdesetogodišnje. Rije�ni su tokovi veoma podložni utjecaju klime. Zna�ajke dotoka vode ovisne su o kišnim jesenskim razdobljima, kišnim prolje�ima i topljenju snijega, te dugim sušnim ljetima.

Protok vode se odre�uje na osnovi pra�enja vodostaja u odre�enom vremenu. Protok vode �ini volumen vode koja prote�e vodotokom u jedinici vremena. Godišnji protok se dobije slaganjem dnevnih protoka. Promjene protoka tijekom godine pokazuje krivulja dijagrama godišnjeg protoka. Godišnji protok može se prikazati i krivuljom trajanja protoka, koja se dobije iskazivanjem koli�ine protoka u jednogodišnjem trajanju. Protok se kre�e izme�u minimalnog imaksimalnog. Me�utim, iskorištavanje snage vode ograni�eno je veli�inom izgradnje hidroelektrane. Veli�inom izgradnje zove se najve�i protok koji se može iskoristiti u hidroelektrani, i prema njemu su dimenzionirani svi dijelovi HE.

3.1.3.2. KARAKTERISTIKE AKUMULACIJE I PADA

Akumulacijsko jezero ima svoj volumen, a to je ukupna koli�ina vode koja može u njega stati. Taj se volumen zove geometrijski volumen vode. Me�utim, zbog više razloga, sva se voda ne može iskoristiti. Volumen vode koji se može iskoristiti u normalnom pogonu zove se korisni volumen vode.

Minimalno vrijeme potrebno da korisni volumen iste�e kroz turbine, a da nema dotoka, zove se vrijeme pražnjenja akumulacijskog jezera. Iskorištavanje vode iz akumulacijskog jezera u elektroenergetskom sustavu ovisi o prilikama u sustavu i o hidrološkim prilikama u odre�enom razdoblju. Akumulacijska jezera za razli�ite tipove HE imaju razli�ite uloge zbog promjenjivog na�ina rada tijekom dana, tjedna ili sezone. Radi regulacije protoka akumulacijska jezera imaju odre�ene funkcije, odnosno odre�ene veli�ine. Dnevna regulacija protoka potrebna je radi što ve�e varijabilne energije tijekom dana. Kako je dotok tijekom dana približno stalan, a potrošnja vode promjenjiva, voda se mora akumulirati za za vrijeme no�nog slabijeg optere�enja. Tijekom tjedna, zbog radnih i neradnih dana, optere�enje se mijenja. Ako na odre�enom vodotoku nema ve�ih akumulacijskih jezera, potrebno je napraviti tjedne akumulacije kako bi se voda sa�uvala za radne dane. Mnogo važnija od dnevne i tjedne regulacije je godišnja i višegodišnja regulacija protoka. To je potrebno zbog sušnog i vlažnog razdoblja. U HE se definiraju razli�ite vrijednosti pada. Razlika gornje

- 23 -

doto�ne razine vode i donje razine odvodne vode zove se stati�kim padom. Ukupni pad HE zove se bruto-pad. Taj je pad zapravo stati�ki pad pove�an za kineti�ku energiju ulazne mase vode umanjen za kineti�ku energiju vode na odvodu. Promjene razine gornje vode mogu nastati zbog preljeva velikih voda preko brane, što se doga�a kad se sva suvišna voda ne može propustiti kroz ispuste. Promjena razine donje vode ovisi o koli�ini vode koja protje�e koritom rijeke na kraju odvoda, bez obzira na to dotje�e li voda koritom mimo HE ili kroz turbine HE. Razina donje vode raste pove�anjem protoka. Bruto-pad je najve�i u doba najmanjih protoka. Promjena pada ima velik utjecaj na snagu i mogu�u proizvodnju HE s padom do 50 m, a za ve�e padove utjecaj promjene pada je bezna�ajan.

3.1.3.3. ENERGETSKE KARAKTERISTIKE HIDROELEKTRANA

Energija vode koju rijeka ima na svom izvoru iscrpljuje se u prirodnom toku do njezinog uš�a u more ili jezero. Prirodni tokovi mogu biti razli�iti. Korisna energija HE prosje�na je energija koju HE može dati.Zbog toga se definira mogu�a dnevna ili godišnja proizvodnja HE kao ona koli�ina energije koju bi HE mogla proizvesti s obzirom na stvarni protok, pad i stupanj korisnosti. Osim toga, HE se karakterizira mogu�om srednjom godišnjom proizvodnjom koja je odre�ena kao aritmeti�ka sredina mogu�ih višegodišnjih proizvodnji. Stvarna proizvodnja HE redovito je uvijek manja od mogu�e. U HE se �esto odre�uje i srednji energetski ekvivalent. Definira se kao utrošak vode za proizvodnju 1 kWh elektri�ne energije. Srednji energetski ekvivalent ovisi o padu i o stupnju korisnosti.

3.1.3.4. GOSPODARSKE KARAKTERISTIKE HIDROELEKTRANA

Gospodarske karakteristike hidroelektrana odre�uju troškovi gradnje i cijena proizvedene elektri�ne energije.

Troškovi gradnje su razli�iti za svaku hidroelekranu. U njih pripadaju sva ulaganja od gradnje brane do odvoda vode, troškovi za eventualno poplavljeno zemljište i naselja, premještanje prometnica, omogu�avanje plovidbe, osiguranje vode za nizvodna naselja ako se mijenja tok i sl. Ti dodatni troškovi ovise o veli�ini akumulacije te o konfiguraciji terena. Ponekad se zahvatima pri gradnji HE, a posebno akumulacijskih jezera, rješavaju problemi glede poplava i podzemnih voda. Troškovi gradnje najviše ovise o veli�ini i tipu HE. Tu se prvenstveno misli na veli�inu dovoda, odvoda, brane, tla�nog cjevovoda i ostaloga. Radi uspore�ivanja troškova gradnje definiraju se specifi�ne investicije po jedinici energije i specifi�ne investicije po jedinici snage. Proizvodna cijena elektri�noj energiji ovisna je o specifi�nim investicijama. Na proizvodnu cijenu �e utjecati ponašanje HE u elektroenergetskom sustavu, odnosno, da li �e HE tijekom godine proizvesti mogu�u energiju.

- 24 -

3.1.4. PODIJELA HIDROELEKTRANA

Hidroelektrane se mogu podijeliti prema njihovom smještaju, padu vodotoka, na�inu korištenja vode, volumenu akumulacijskog bazena, smještaju strojarnice, ulozi u elektroenergetskom sustavu, snazi itd.

Prema smještaju samih postrojenja, odnosno prema vodenom toku �iju energiju iskorištavaju, hidroelektrane mogu biti:

• "klasi�ne", na kopnenim vodotokovima: rijekama, potocima, kanalima i sl. • na morske valove • na morske mijene: plimu i oseku.

Prema padu vodotoka, odnosno visinskoj razlici izme�u zahvata i ispusta vode (klasi�ne) hidroelektrane se mogu podijeliti na:

• niskotla�ne, s padom do 25 m • srednjotla�ne, s padom izme�u 25 i 200 m • visokotla�ne, s padom ve�im od 200 m.

Prema na�inu korištenja vode, odnosno regulacije protoka hidroelektrane se dijele na:

• Proto�ne hidroelektrane su one �ija se uzvodna akumulacija može isprazniti za manje od dva sata rada kod nazivne snage ili takva akumulacija uop�e ne postoji. Kineti�ka energija vode se skoro direktno koristi za pokretanje turbina. Vrlo su jednostavne za izvo�enje, nema dizanja razine vodostaja, imaju vrlo mali utjecaj na okoliš, ali su i vrlo ovisne o trenutno raspoloživom vodenom toku.

• Akumulacijske, kod kojih se dio vode prikuplja (akumulira) kako bi se mogao koristiti kada je potrebnije. Akumulacijske hidroelektrane mogu biti pribranske i derivacijske. Pribranske hidroelektrane smještene su ispod same brane, dok su derivacijske smještene puno niže i spojene su cjevovodima s akumulacijom. Akumulacijske su naj�eš�e hidroelektrane, dobra strana je mogu�nost akumuklacije jeftinog izvora energije kad je ima u izobilju i planiranje potrošnje po potrebi. Nedostaci su otežan pogon ili potpuni zastoji ljeti zbog smanjenih vodenih tokova.

• crpno-akumulacijske ili reverzibilne, kod kojih se dio vode koji nije potreban pomo�u viška struje u sustavu crpi na ve�u visinu, odakle se pušta kada je potrebnije.

Kod klasi�nih hidroelektrana voda iz akumulacijskog jezera protje�e kroz postrojenje i nastavlja dalje svojim prirodnim tokom. Postoji i druga vrsta hidroelektrana, tkz. reverzibilne hidroelektrana (eng.: pumped-storage plant), koja ima dva "skladišta" vodene mase. To su:

• Gornja akumulacija. Istovjetana je akumulacijskom jezeru klasi�nih hidroelektrana. Gradnjom brane osigurava se akumulacija vode, koja proti�e kroz postrojenje i rezultira proizvodnjom elektri�ne energije.

• Donja akumulacija. Voda koja izlazi iz hidroelektrane ulijeva se u drugo, donje, akumulacijsko jezero, umjesto da se vra�a u osnovni tok rijeke.

Reverzibilnim turbinama voda se iz donjeg akumulacijskog jezera pumpa natrag u gornje akumulacijsko jezero. Taj proces se odvija u satima u kojima nije vršno optere�enje, radi

- 25 -

uštede energije i radi raspoloživosti potrojenja u vršnim satima. Principijelno, donja akumulacija služi za punjenje gornje akumulacije. Iako pumpanje vode zahtjeva utrošak energije, korisnost se o�ituje u tome što hidroelektrana raspolaže sa više vodenog potencijala za vrijeme vršnih optere�enja. Osnovna primjena je pokrivanje vršnih optere�enja.

Slika 3-1-4-1. RHE Velebit (Presjek kroz tla�ni cjevovod, strojarnicu i odvodni tunel RHE Velebit)

Prema na�inu punjenja, odnosno veli�ini akumulacijskog bazena hidroelektrane mogu biti:

• s dnevnom akumulacijom, kod kojih se akumulacija puni po no�i, a prazni po danu • sa sezonskom akumulacijom, kod kojih se akumulacija puni tijekom kišnog, a prazni

tijekom sušnog razdoblja godine • s godišnjom akumulacijom, kod kojih se akumulacija puni tijekom kišnih, a prazni

tijekom sušnih godina.

Prema udaljenosti strojarnice od brane hidroektrane se dijele na:

• pribranske, �ija je strojarnica smještena neposredno uz branu, naj�eš�e podno nje • derivacijske, �ija je strojarnica smještena podalje od brane.

Prema smještaju strojarnice hidroektrane se dijele na:

• nadzemne, kod kojih je strojarnica smještena iznad razine tla • podzemne, kod kojih je strojarnica smještena ispod razine tla.

Prema njihovoj ulozi u elektroenergetskom sustavu hidroelektrane se mogu podijeliti na:

• temeljne, koje rade cijelo vrijeme ili ve�inu vremena • vršne, koje se uklju�uju kada se za to pokaže potreba, npr. za pokrivanje vršne

potrošnje.

Prema instaliranoj snazi (u�inu) hidroelektrane mogu biti:

• velike • male.

- 26 -

Male hidroelektrane

Pojam male hidroelektrane se može promatrati sa razli�itih to�aka gledišta i razlikuje se od zemlje do zemlje, zavisno o njezinom standardu, hidrološkim, meteorološkim, topografskim i morfološkim karakteristikama lokacije, te o stupnju tehnološkog razvoja i ekonomskom standardu zemlje. Generalno, klasifikacija hidroelektrana na velike i male se vrši prema instaliranoj snazi, klasifikacija se vrši od strane nacionalnih energetskih odbora. Male hidroelektrane se �esto dalje kategoriziraju u male, mini i mikro hidroelektrane. Male hidroelektrane predstavljaju kombinaciju prednosti proizvodnje elektri�ne energije iz energije hidropotencijala i decentralizirane proizvodnje elektri�ne energije, dok istovremeno ne pokazuju negativan utjecaj na okoliš kao velike hidroelektrane.

Instalirana snaga hidroelektrana

Instalirana snaga malih hidroelektrana

680 GW 47GW

Hidroenergetski potencijal

Hidroenergetski potencijal za male hidroelektrane

Svjetski izvori

3000 GW 180 GW Tablica 3-1-4. Instalirana snaga i hidropotencijal na svjetskoj razini U usporedbi sa velikim neke od prednosti malih hidroelektrana su sljede�e:

• gotovo da nemaju nedostataka • nema troška distribucije elektri�ne energije • nema negativnog utjecaja na ekosustav kao kod velikih hidroelektrana • jeftino održavanje

Glavni djelovi malih hidroelektrana su sljede�e strukture i ure�aji:

• gra�evinski objekti • hidromehani�ka oprema • elektrostrojarska oprema • priklju�ak na dalekovodnu mrežu

Tehni�ka rješenja malih hidroelektrana u cilju zaštite okoliša

Da bi se hidroelektrana smatrala malom hidroelektranom, sa ciljem zaštite okoliša, pod samim pojmom se kategoriziraju energetski objekti koji iskorištavaju hidropotencijal, a istovremeno imaju sljede�a svojstva:

• karakterizira ih proto�ni rad ili iznimno mala akumulacija (minimiziran utjecaj na vodotok)

• paralelan rad sa mrežom i ugradnja asinkronih generatora • kod objekata sa instaliranom snagom manjom od 100 kW nema gradnje trafostanice

ve� se predvi�a izvedba transformatora na stupu • postorojenje se sastoji od brane (niskog preljevnog praga), dovodnog kanala i/ili

cjevovoda, zgrade strojarnice i odvodnog kanala

- 27 -

• preljevni prag služi samo zato da uspori vodotok prije ulaska u dovodni kanal • umjesto niskog preljevnog kanala može se upotrijebiti tkz. tirolski zahvat • dovodni kanal zatvorenog tipa predvi�en je samo za vo�enje zahva�ene vode po

strmim obroncima i ve�im dijelom je ukopan (može biti i potpuno ukopan) • dovodni kanal otvorenog tipa predvi�en je za ve�e koli�ine vode i u pravilu se nalazi

na manje strmim terenima • tla�ni cjevovod treba biti što manjih dimenzija i predvi�en je da vodu najkra�im putem

dovede do strojarnice • zgrada strojarnice je što manjih gabarita i operacija je u potpunosti automatizirana • odvodni kanal je otvoren i kratak i njime se voda vra�a iz strojarnice u vodotok (ova

voda je gotovo redovito jako oboga�ena kisikom, tako da se ribe rado zadržavaju u ovom podru�ju)

Ako se pri kategorizaciji i projektiranju malih hidroelektrana drži ovih na�ela utjecaji na okoliš su svedeni na minimum.

3.1.5. HIDROENERGETSKI POTENCIJAL U SVIJETU I HR

Hidroenergetski potencijali nisu beskrajni. Procjenjuje se da je iskorišteno oko 25 % svjetskog potencijala, dakle proizvodnja se može pove�ati oko 4 puta. Ve�ina neiskorištenog potencijala nalazi se u nerazvijenim zemljama, što je povoljno jer se u njima o�ekuje znatan porast porošnje energije. Najve�i projekti, planirani ili zapo�eti, odnose se na Kinu, Indiju, Maleziju, Vijetnam, Brazil, Peru....

Najve�i proizvo�a�i hidroenergije u ukupnoj proizvodnji u svijetu su Kanada sa u�eš�em 13,8%, SAD 13,8%, Brazil 10,4%, Kina 7,2%, Rusija 6,1% i Norveška 4,1%. Rezerve za proizvodnju hidroenergije raspore�ene su kako slijedi: Kina 17,7%, Bivši SSSR 11,8%, Indonezija 10,1%, Brazil 9,0%, Indija 7,9% i Peru 5,5%.

Slika 3-1-5-1. Proizvodnja HE po zemljama 1998.

- 28 -

Hidroelektrane u Hrvatskoj

U strukturi elektroenergetskog sustava Hrvatske, više od polovice izvora �ine hidroelektrane. U pogonu je 25 hidroelektrana koje su podijeljene na 15 pogona, a koji su raspore�eni na tri teritorijalna podru�ja (sjever, zapad, jug) i samostalni pogon HE Dubrovnik. Sve hidroelektrane u sklopu HEP-a posjeduju "Certifikat za proizvodnju elektri�ne energije iz obnovljivih izvora".

Slika 3-1-5-2. Prostorni razmještaj hidroelektrana u Hrvatskoj

- 29 -

3.2. ENERGIJA SUNCA

Iskorištavanje energije Sunca jedno je od podru�ja istraživanja koja su, osobito posljednjih godina, prisutna u svijetu znanosti, tehnologije i primjene. Što znamo o Suncu ? Sunce je zvijezda. Tvar od koje je gra�eno u stanju je plazme (neutralni ionizirani plin). Zbog visokih temperatura i visokog tlaka (107 K; 1014 Pa) na Suncu se neprestano odvija nuklearna fuzija vodika. Posljedica toga je osloba�anje golemih koli�ina energije. Sun�eva energija je obnovljiv i neograni�en izvor energije od kojeg, izravno ili neizravno, potje�e najve�i dio drugih izvora energije na Zemlji. Sunce je izuzetno bogat izvor energije. Me�utim, da bi prakti�no iskorištavanje bilo ve�e traga se za efikasnijim tehni�kim rješenjima. Važne zna�ajke su mala gusto�a energetskog toka, zatim oscilacije intenziteta Sun�eva zra�enja ovisno o dobu dana, godišnjem dobu ili pak klimatskim uvijetima. Današnje tehnologije uporabe energije Sunca uklju�uju najrazli�itije primjene, od solarne vrtne rasvjete do automobila na solarni pogon. Sun�eva se energija u svojem izvornom obliku naj�eš�e koristi za pretvorbu u toplinsku energiju za sustave pripreme potrošne tople vode i grijanja (u europskim zemljama uglavnom kao dodatni energent) te u solarnim elektranama, za pretvorbu u elektri�nu energiju koriste fotonaponski sustavi. Suvremeno društvo prepoznalo je brojne prednosti uporabe energije Sunca: smanjenje ovisnosti o fosilnim gorivima, poboljšanje kakvo�e zraka i smanjenje emisija stakleni�kih plinova, dok proizvodnja i ugradnja solarnih sustava poti�e otvaranje novih radnih mjesta i razvoj gospodarstva.

Sun�evo zra�enje je kratkovalno zra�enje koje Zemlja dobiva od Sunca. Izražava se u W/m2, a ovisno o njegovom upadu na plohe na Zemlji može biti:

• neposredno: zra�enje Sun�evih zraka • difuzno zra�enje neba: raspršeno zra�enje cijelog neba zbog pojava u atmosferi • difuzno zra�enje obzorja: dio difuznog zra�enja koji zra�i obzorje • okosun�evo difuzno (cirkumsolarno) zra�enje: difuzno zra�enje bliže okolice

Sun�evog diska koji se vidi sa Zemlje • odbijeno zra�enje: zra�enje koje se odbija od okolice i pada na promatranu plohu.

U�in Sun�evog zra�enja iznosi oko 3,8 · 1026 W, od �ega Zemlja dobiva 1,7 · 1017 W. Zemlja od Sunca godišnje dobiva oko 4 · 1024 J energije što je nekoliko tisu�a puta više nego što iznosi ukupna godišnja potrošnja energije iz svih primarnih izvora. Prosje�na jakost Sun�evog zra�enja iznosi oko 1367 W/m2 (tzv. solarna konstanta).

Spektar Sun�evog zra�enja obuhva�a radio-valove, mikrovalove, infracrveno zra�enje, vidljivu svjetlost, ultraljubi�asto zra�enje, X-zrake i Y-zrake. Najve�i dio energije pri tome predstavlja IC zra�enje (valne duljine > 760 nm), vidljiva svjetlost (valne duljine 400 - 760 nm) te UV zra�enje. U spektru je njihov udio sljede�i: 51% �ini IC zra�enje, 40% UV zra�enje, a 9% vidljiva svjetlost.

Pod pojmom iskorištavanja Sun�eve energije u užem se smislu misli samo na njezino neposredno iskorištavanje, u izvornom obliku, to jest ne kao, primjerice, energija vjetra ili fosilnih goriva. Sun�eva se energija pri tome može iskorištavati aktivno ili pasivno. Aktivna primjena Sun�eve energije podrazumijeva njezinu izravnu pretvorbu u toplinsku ili elektri�nu energiju. Pri tome se toplinska energija od Sun�eve dobiva pomo�u solarnih kolektora ili solarnih kuhala, a elektri�na pomo�u fotonaponskih (PV) �elija. Pasivna primjena Sun�eve energije zna�i izravno iskorištavanje dozra�ene Sun�eve topline odgovaraju�om izvedbom

- 30 -

gra�evina (smještajem u prostoru, primjenom odgovaraju�ih materijala, prikladnim rasporedom prostorija i ostakljenih ploha itd).

3.2.1. FOTONAPONSKI SUSTAVI

Solarni fotonaponski pretvornici služe za izravnu pretvorbu (Sun�eve) svjetlosti u elektri�nu energiju, a izvode se izvode kao fotonaponske �elije. Proces pretvorbe je zasnovan na fotonaponskom efektu kojeg je otkrio Alexander Bequerel 1839 godine.

Tipovi PV �elija:

• silicijeve Si monokristalne, polikristalne i amorfne • galij arsenidne GaAS • bakar-indium-diselenidne CuInSe 2 • kadmij-telurijeve CdTe

Najraširenije su silicijeve pa su gra�a i funkcioniranje opisani na njima.

Gra�a i funkcioniranje Si-PV �elije

Fotonaponska �elija je PN-spoj (dioda). U silicijskoj fotonaponskoj �eliji na površini plo�ice P-tipa silicija difundirane su primjese npr. fosfor, tako da na tankom površinskom sloju nastane podru�je N-tipa poluvodi�a. Da bi se skupili naboji nastali apsorpcijom fotona iz Sun�eva zra�enja, na prednjoj površini nalazi se metalna rešetka, a stražnja strana je prekrivena metalnim kontaktom. Rešetkasti kontakt na prednjoj strani na�injen je tako da ne prekrije više od 5 % površine, te on gotovo i ne utje�e na apsorpciju Sun�eva zra�enja. Prednja površina �elije može biti prekrivena i prozirnim antirefleksijskim slojem koji smanjuje refleksiju Sun�eve svjetlosti i tako pove�ava djelotvornost �elije. Kada se �elija osvijetli, kontakt na P-dijelu postaje pozitivan, a na N-dijelu negativan. Ako su kontakti �elije spojeni s vanjskim trošilom, pote�i �e elektri�na struja.Kada je fotonaponska �elija spojena s vanjskim trošilom i osvijetljena, u �eliji �e zbog fotonapona nastajati fotostruja te �e vanjskim trošilom te�i struja jednaka razlici struje diode i fotostruje.

Karakteristika solarne �elije

Iskoristivi napon ovisi o poluvodi�kim materijalima i kod Si �elija je oko 0.5 V. Napon praznog hoda je malo ovisan o Sun�evom zra�enju dok jakost struje raste sa porastom osvjetljenja. Izlazna snaga �elije je tako�er temperaturno zavisna.Viša temperatura �elije uzrokuje manju efikasnost.

PV �elije iz silicija se izvode u više morfoloških oblika kao monokristalne, polikristalne i amorfne.

Monokristalne Si �elije ( � radno = 14 – 17 %; � labaratorijski = 24 % )

Ovaj tip �elije može pretvoriti 1000 W/m^2 Sun�evog zra�enja u 140 W elektri�ne energije sa površinom �elija od 1 m2

- 31 -

Za proizvodnju monokristalnih Si �elija potreban je apsolutno �isti poluvodi�ki materijal. Monokristalni štapi�i se izvade iz rastaljenog silicija i režu na tanke plo�ice.

Takav na�in izrade omogu�uje relativno visoki stupanj iskoristivosti.

Polikristalne Si �elije ( � radno = 13 – 15 %; � labaratorijski = 18 % )

Ovaj tip �elije može pretvoriti 1000 W/m 2 Sun�evog zra�enja u 130 W elektri�ne energije sa površinom �elija od 1 m^2 .

Proizvodnja ovih �elija je ekonomski efikasnija u odnosu na monokristalne . Teku�i silicij se ulijeva u blokove koji se zatim režu u plo�e. Tijekom skru�ivanja materijala stvaraju se kristalne strukture razli�itih veli�ina na �ijim granicama se pojavljuju greške, zbog tog razloga solarna �elija ima manju iskoristivost.

Amorfne Si �elije ( � radno = 5 – 7 %; � labaratorijski = 13 % )

Ovaj tip �elije može pretvoriti 1000 W/m 2 Sun�evog zra�enja u 50 W elektri�ne energije sa površinom �elija od1 m^2 .

Ukoliko se tanki film silicija stavi na staklo ili neku drugu podlogu to se naziva amorfna ili tankoslojna �elija. Debljina sloja iznosi manje od 1 µm, stoga su troškovi proizvodnje manji u skladu sa niskom cijenom materijala. Me�utim iskoristivost amorfnih �elija je puno niža u usporedbi s drugim tipovima �elija. Prvenstveno se koristi u opremi gdje je potrebna mala snaga (satovi , džepna ra�unala ) ili kao element fasade.

Galij arsenidne GaAs �elije ( � radno = 30 %)

Galij arsenid je poluvodi� napravljen iz mješavine galija Ga i arsena As. Pogodan je za upotrebu u višeslojnim i visoko u�inkovitim �elijama. Širina zabranjene vrpce je pogodna za jednoslojne solarne �elije. Ima visoku apsorpciju pa je potrebna debljina od samo nekoliko mikrona da bi apsorbiro Sun�eve zrake. Relativno je neosjetljiv na toplinu u usporedbi sa Si �elijama te na zra�enja. Zbog visoke cijene koristi se u svemirskim programima i u sustavima sa koncentriranim zra�enjem gdje se štedi na �elijama . Projekti koncentriranog zra�enja su još u fazi istraživanja . Galij indijum fosfidna / galij arsenid (GaInP)/GaAs dvoslojna �elija ima iskoristivost od 30% i koristi se u komercijalne svrhe za svemirske aplikacije. Ovaj tip �elije može pretvoriti 1000 W/m 2 Sun�evog zra�enja u 300 W elektri�ne energije sa površinom �elija od 1 m 2

Kadmij telurijeve CdTe �elije ( � labaratorijski = 16 % )

Ovaj tip �elije može pretvoriti 1000 W/m 2 Sun�evog zra�enja u 160 W elektri�ne energije sa površinom �elija od 1 m 2 u labaratorijskim uvjetima.

Kadmj teleurid je spoj elementa: metala kadmija i polumetala telurija.

- 32 -

Pogodan za upotrebu u tankim PV modulima zbogo fizikalnih svojstava i jeftinih tehnologija izrade. Usprkos navedenim prednostima zbog kadmijeve otrovnosti i sumnje na kancerogenost nije u širokoj upotrebi.

Metode pove�anja iskoristivosti fotonaponskih �elija

Da bi se postigla što bolja iskoristivost dva su smjera razvoja koja se ne isklju�uju:

• pove�anje snage insolacije koncentriranjem Sun�evih zraka

• iskoristivost što ve�eg dijela spektra prispjelog svjetla

Konstrukcije kojima se to postiže su slaganjem razli�itih tipova �elija jednih na druge pri �emu su gornji slojevi propusni za svjetlost koje apsorbiraju donji slojevi PV kompozita.

Pojedine �elije se slažu i povezuju u ve�e cjeline s ciljem osiguranja prikladnog napona i struje za razli�ite aplikacije. Paralelno složene daju ve�u elektri�nu struju dok serijski spojene ostvaruju viši napon. Povezane �elije se obi�no ume�u u prozirni Ethyl-Vinyl-Acetate što se zatim uokviruje sa aluminijskim ili od nehr�aju�eg �elika okvirom i pokriva staklom sa prednje strane. Tipi�ne veli�ine snage takvih modula su izme�u 10 W i 100 W vršne snage pri standardnim uvjetima, koji su :1000 W/m2 Sun�evog zra�enja i temperatura �elije od 25° C.

Standardna garancija proizvo�a�a na takve proizvode iznosi 10 ili više godina.

Podru�je primjene solarnih panela je ograni�eno sa relativno malom snagom po metru kvadratnom panela. Tehni�kim rješenjima možemo oblikovati panel sa naglaskom na naponu ili jakosti struje po metru kvadratnom. S obzirom na me�usobnu zavisnost P = U * I postoji idealna radna to�ka kada je taj umnožak najve�i odnosno P max za zadano osvjetljenje, tako da postoje sustavi regulacije koji osiguravaju P max. Svoju trenuta�no najrašireniju primjenu ostvaruje kao izvor napajanja za elektroni�ku opremu, prvenstveno pri svemirskim istraživanjima. PV sa baterijom za skladištenje energije je jednostavan i pouzdan “Stand-Alone” sistem �esto najprikladniji kada su ostali izvori elektri�ne energije nepristupa�ni, nepoželjni ili preskupi.

Tipi�ne aplikacije su :

• - navodnjavanja • - opskrba energijom udaljenih domova i gospodarstava • - aplikacije u komunikaciji – napose udaljene repetitorske instalacije

�elija modul matrica modula

- 33 -

• - katodna zaštita cjevovoda

Veli�ine ovakvih sistema su 10 W do 10 kW vršne snage . Za ruralne sisteme od 100 W do 10 kW vršne snage. Sistem od 10 kW vršne snage obi�no se sastoji od 100 m 2 modula .

Problem zasjenjenja PV-a

Problem koji treba riješiti pri poja�anoj insolaciji , ( poja�anje od 10-100x definira kao malo do srednje a, poja�anje od 100-1000x kao visoko koncentrirano zra�enje) je zasjenjenje.

Zasjenjenje uzrokuje da solarne �elije istih radnih karakteristika zbog nejednolike osvijetljenosti ne daju jednaki napon što može uzrokovati promjenu smjera struje zbog pojave lokalnog izvora i ponora na panelu. (Na primjer kad padne list sa drveta na solarni panel njegova izlazna struja i napon slabe zbog unutarnjih gubitaka).

Tehni�ka rješenja kojima se rješava taj problem su:

1. Postavljanje prozirnog materijala ispred �elija radi disperzije sun�evih zraka koje onda ravnomjernije osvjetljavaju površinu

2. Prilikom usmjeravanja ne fokusira se u jednu to�ku nego što ravnomjernije po površini solarnih �elija .Primjer toga su usavršeni usmjeriva�i koji zadržavaju formu elipsoida , no diskretizirani sa ravnim površinama radi što ravnomjernijeg zra�enja po �elijama .

3. Ugradnja bypass dioda radi sprje�avanja promjene smjera toka struje i pojave unutarnjih gubitaka.

Fotonaponski moduli mogu biti:

Ovisno o na�inu rada, postoje dvije vrste FN sustava:

1. samostalni (autonomni), za �iji rad mreža nije potrebna 2. mrežni, spojeni na elektri�nu mrežu:

o pasivni, kod kojih mreža služi (samo) kao pri�uvni izvor o aktivni (interaktivni), kod kojih mreža može pokrivati manjkove, ali i

preuzimati viškove elektri�ne energije iz FN modula 3. hibridni, koji su zapravo samostalni povezani s drugim (obnovljivim) izvorima.

Ukupna emisija štetnih tvari tijekom ukupnog životnog ciklusa �elije

Ekološku prihvatljivost PV-a nužno je sagledati u cjelovitom kontekstu od proizvodnje PV-a do njihovog zbrinjavanja.

Glavni utjecaji PV-a na okoliš o kojima treba voditi brigu su:

• utjecaj konstrukcija na lokalne ekosisteme i njihove obitavaoce (na to treba obratiti pažnju prilikom izgradnje postrojenja velikih snaga)

• vizualni ( estetski ) utjecaj

- 34 -

• utjecaj na javno zdravstvo (postoji mali ali prisutni rizik utjecaja kadmija , arsena i selena na ljudsko zdravlje)

• zbrinjavanje PV nakon isteka vijeka trajanja

3.2.2. SOLARNE ELEKTRANE

Solarne elektrane sastoje se od dva dijela. U jednom se energija Sun�evih zraka pretvara u toplinu, a u drugom se toplina pretvara u elektri�nu energiju. Ovakve termoelektrane mogu biti malih snaga (od desetak kilovata) i služiti za opskrbu izoliranih ruralnih podru�ja elektri�nom energijom, pa do velikih elektrana spojenih na prijenosnu elektri�nu mrežu, snage i do stotinjak megavata. Glavni dijelovi solarne elektrane su: kolektori, prijamnik (apsorber), spremnik topline, ispariva�, turbina i generator.

Osnovna podjela sun�evih termoelektrana vrši se prema na�inu kako prikupljaju energiju Sun�evih zraka. Tako postrojenja mogu biti izvedena sa :

• središnjim tornjem okruženog zrcalima koja reflektiraju Sun�evo zra�enje i usmjeravaju ga ka tornju,

• zakrivljenim - koritastim - zrcalima unutar kojih se nalaze cijevi s vru�im fluidom, ili • paraboli�nim zrcalima koja Sun�eve zrake koncentriraju i fokusiraju u spremnik

topline.

U sustavima sa zakrivljenim zrcalima i sa središnjim tornjem pretvorba topline u elektri�nu energiju vrši se pomo�u generatora. U postrojenju s paraboli�nim zrcalima, svako zrcalo usmjerava zrake u individualni spremnik topline povezan s generatorom - naj�eš�e Stirlingovim strojem - koji toplinsku energiju pretvara u mehani�ku i kona�no elektri�nu energiju.

Središnji toranj

Koritasta zrcala

Paraboli�na zrcala

Slika 3-2-2-1. Izvedbe solarnih elektrana prema na�inu prikupljanja Sun�evih zraka

- 35 -

3.2.3. SOLARNI SUSTAVI ZA GRIJANJE I PRIPREMU POTROŠNE TOPLE VODE

Solarni sustavi su izvori topline za grijanje i pripremu PTV-a koji kao osnovni izvor energije koriste toplinu dozra�enu od Sunca, odnosno Sun�evu energiju. Solarni se sustavi za grijanje u najve�em broju slu�ajeva koriste kao dodatni izvori topline, dok kao osnovni služe plinski, uljni ili elektri�ni kotlovi. Njihova je primjena kao osnovni izvori topline za sustave grijanja rijetka i ograni�ena na podru�ja s dovoljnom koli�inom Sun�evog zra�enja tijekom cijele godine, u kojima su ujedno i klimatski uvjeti povoljniji pa je sezona grijanja kratka. Solarni se sustavi stoga ponajviše koriste za pripremu PTV-a.

Osnovni dijelovi solarnih sustava su:

• kolektor • spremnik tople vode s izmjenjiva�em topline • solarna stanica s crpkom i regulacijom • razvod s odgovaraju�im radnim (solarnim) medijem.

Kolektor je osnovni dio svakog solarnog sustava i u njemu dolazi do pretvorbe Sun�eve u toplinsku energiju. Dozra�ena Sun�eva energija prolazi kroz prozirnu površinu koja propušta zra�enje samo u jednom smjeru te se pretvara u toplinu koja se predaje prikladnom prijenosniku topline: solarnom radnom mediju (naj�eš�e smjesi vode i glikola).

U njihove najvažnije dijelove ubrajaju se:

• ku�ište s odgovaraju�om toplinskom izolacijom, priklju�cima, sabirnim vodovima i pri�vrsnim elementima

• apsorberske plohe koje služe za potpunu apsorpciju toplinskog (IC) dijela Sun�evog zra�enja i njegovu pretvorbu u korisnu toplinu

• pokrov koji se izra�uje od uobi�ajenog prozorskog ili vodenog bijelog stakla ili od polimernih materijala oja�anih staklenim vlaknima.

Dvije osnovne izvedbe kolektora:

-ravni

-cijevni

- 36 -

Slika 3-2-3-1. Dvije osnovne izvedbe kolektora

Spremnik tople vode je dio solarnog sustava koji služi za izmjenu topline s ogrjevnim medijem sustava grijanja ili potrošnom toplom vodom te za njihovu pohranu.

Dvije osnovne izvedbe spremnika:

• jednostavan - samo za pripremu PTV-a • kombiniran - za sustave grijanja (sastavljen od dva spremnika - jednog u drugom).

U oba slu�aja, spremnik mora biti dobro izoliran.

Solarna stanica s crpkom predstavlja središnji dio cijelog solarnog sustava jer omogu�ava strujanje solarnog medija, dok automatska regulacija vodi ra�una o sigurnom pogonu cijelog sustava i uskla�ivanju njegovog rada sa sustavom grijanja i pripreme PTV-a, odnosno uvjetima u okolici kao što su promijenjene potrebe za toplinom, iznimno niske ili visoke vanjske temperature koje mogu oštetiti sustav i sl. Treba napomenuti da postoje i izvedbe solarnih sustava koje ne koriste crpku (tzv. termosifonski sustavi), ve� se u njima strujanje osniva na gravitacijskom djelovanju zbog razlike temperatura, odnosno gusto�e solarnog medija.

- 37 -

Solarni medij je tvar koja struji (cirkulira) kroz sustav, odnosno cijevi razvoda solarnog kruga od kolektora do spremnika u kojemu dolazi do izmjene topline s potrošnom toplom vodom ili ogrjevnim medijem sustava grijanja. Kao solarni medij naj�eš�e služi voda, odnosno njezina smjesa s glikolom ili drugim sredstvima za sprje�avanje smrzavanja.

Tri osnovne izvedbe solarnih sustava za grijanje:

1. Solarni sustav s dva spremnika u cijelosti omogu�ava odvajanje sustava grijanja i pripreme PTV-a, a osnovna mu je prednost gotovo trenuta�no postizanje potrebne temperaturne razine, a time i optimalnog rada kolektora. Na žalost, ugradnja dva spremnika pove�ava troškove, a zahtijeva i dodatni prostor.

2. Solarni sustav s kombiniranim spremnikom predstavlja najjednostavnije i cijenovno prihvatljivo rješenje. Kako bi se sprije�ilo pregrijavanje unutarnjeg spremnika, kod takvih sustava treba ugraditi povratni vod grijanja ponešto iznad donjeg dijela unutarnjeg sustava, odnosno izmjenjiva�a topline solarnog kruga.

3. Solarni sustav s dodatnim izmjenjiva�em topline, odnosno s proto�nim zagrija�em omogu�ava zagrijavanje ogrjevnog medija ili potrošne tople vode to�no prema potrebi, o �emu se brine dodatna crpka.

3.2.4. HLA�ENJE NA SUN�EVU ENERGIJU

Ve� se nekoliko desetlje�a provode istraživanja obnovljivih rješenja za dobivanje rashladnog u�ina. Prvo postrojenje za dobivanje rashladnog u�ina koje se temelji na primjeni parnog ejektora (mlazne puhaljke) potje�e još iz 60. godina prošlog stolje�a i kao izvor topline koristilo je otpadnu toplinu pa se ne treba mnogo �uditi zamisli o korištenju Sun�eve energije u iste svrhe. Na�elo rada ure�aja gotovo je jednako kao kod kompresijskih rashladnih ure�aja. Ipak, za ostvarenje kružnog procesa ne služi više mehani�ka (kompresor), ve� toplinska energija. To�nije re�eno, radi se o dva kružna procesa: jednim s pogonskom, a drugi s radnom tvari, iako je rije� o istom mediju, naj�eš�e vodi. Glavni dio ure�aja je ejektor koji se sastoji od pogonske sapnice, miješališta i difuzora. U sapnici dolazi do pretvorbe energije tlaka pare pogonske tvari u energiju strujanja, u miješalištu se uzima toplina iz ispariva�a, dok u difuzoru dolazi do ponovne pretvorbe energije strujanja smjese para pogonske i radne tvari u energiju tlaka, a potom slijedi kondenzator u kojemu smjesa kondenzira. Naravno, kao izvor topline za dobivanje potrebne toplinske energije služi uobi�ajeni solarni sustav s kolektorima. Istraživanja pri tome nisu sama sebi svrha, ve� za cilj imaju stvaranje pretpostavki za serijsku proizvodnju jeftinog i kompaktnog solarnog klima-ure�aja u�ina 3 - 5 kW.

- 38 -

Slika 3-2-4-1. Shema rashladnog ure�aja na Sun�evu energiju s kružnim procesom na osnovi parnog ejektora

3.2.5. PASIVNA PRIMJENA SUN�EVE ENERGIJE

Pasivna primjena Sun�eve energije se osniva na primjeni tako izvedenih gra�evinskih elementa i materijala koji trebaju biti optimalno, a ne samo estetski, oblikovani i me�usobno funkcionalno povezani. Geometrijski oblik, veli�ina i visina zgrade, toplinski kapacitet pojedinih zidova i prostorija, toplinska zaštita zgrade i, posebice, njezinih pojedinih dijelova, ostakljenost, zaštita od vjetra, kiše, vlage, ali i od Sunca ljeti, fizikalna svojstva korištenih gra�evinskih i konstruktivnih materijala te kvaliteta gra�enja u energetskom smislu zna�ajno utje�u na udobnost boravka u takvim zgradama, ali i na njihovu ukupnu energetsku potrošnju cijele godine, uz ostale vidove potrošnje, uklju�uju�i grijanje zimi i hla�enje ljeti. U širem kontekstu, na pasivnu energetiku zgrade ne utje�u samo arhitekt i izvo�a� radova, ve� i urbanisti�ki plan gradnje u naselju, raspored i me�usobna udaljenost pojedinih zgrada, smjerovi glavnih prometnica u naselju u odnosu na dominantni smjer vjetra, lokalne klimatsko-meteorološke zna�ajke, blizina mora, konfiguracija okolnog tla, blizina i smjer najbližih one�iš�iva�a okoliša (npr. zastarjele industrije) i dr.

- 39 -

Na�ela aktivne i pasivne izvedbe zgrade mogu se podijeliti u tri skupine:

1. na�ela solarnog grijanja: o aktivna i pasivna pretvorba Sun�eve u toplinsku energiju o velik toplinski kapacitet zgrade o pohranjivanje i kasnija primjena pohranjene topline o distribucija pohranjene topline i njezino prikupljanje o sprje�avanje nekontroliranih gubitaka konvekcijom, ventilacijom i zra�enjem o solarna priprema PTV

2. na�ela solarnog hla�enja: o izvo�enje aktivne i pasivne zaštite od Sun�evog zra�enja ljeti o smanjenje unutarnjih toplinskih dobitaka ljeti o izvo�enje aktivnih i pasivnih (konstruktivnih) sustava za dobro provjetravanje i

hla�enje 3. na�ela korištenja dnevnog svjetla danju i hladne (štedljive) rasvjete no�u

o izvo�enje zgrade tako da u svakoj prostoriji bude dovoljno dnevnog svijetla o izvo�enje hladne energetski u�inkovite no�ne rasvjete o primjena FN modula za pokrivanje barem jednog dijela (primjerice oko 30%)

dnevne (netoplinske) potrošnje elektri�ne energije.

- 40 -

3.3. ENERGIJA VJETRA

Pojam vjetroelektrana podrazumijeva sustav za pretvorbu gibaju�e zra�ne mase, odnosno vjetra u elektri�nu energiju.

Snaga vjetra koristila se koristila se prije 2 000 godina u Perziji za mljevenje žita. Do industrijske revolucije vjetar je uz drvo bio najvažniji izvor energije. Za dobivanje elektri�ne energije vjetar se po�eo koristiti po�etkom prošlog stolje�a. Kasnije je razvoj elektroenergetskih sustava potpuno potisnuo primjenu vjetra. Sedamdesetih godina zanimanje za korištenje vjetra ponovno se naglo pove�ava pa se u ve�em broju zemalja ubrzano istražuje. Razlog je svakako to što ima golemu i obnovljivu energiju, a s ekološkoga gledišta dragocjenu. Iskorištavanje snage vjetra uvjetovano je tehnološkim mogu�nostima i njegovim raspoloživim potencijalima. Mala koncentracija snage jedan je od razloga za njegovu ograni�enu primjenu u proizvodnji elektri�ne energije. Na raspoloživu energiju vjetra utje�u njegove karakteristike: smjer, u�estalost i brzina, te temperatura i sastav zraka.

Vjetar kao energetski resurs karakterizira promjenjivost i nemogu�nost uskladištenja što za sobom posljedi�no povla�i potrebu za definiranjem uvjeta pogona (vjetroenergetskog sustava unutar elektroenergetskog sustava). Budu�i da kineti�ka energija vjetra ovisi o kvadratu brzine, a snaga vjetroelektrane je proporcionalna površini lopatica i tre�oj potenciji brzine vjetra 3vSP ⋅≈ , promjena brzine vjetra uzrokovat �e dakle promjenu aerodinami�ke snage, odnosno prema jednadžbi gibanja promjenu elektri�ne snage koju generator injektira u mrežu. Brzina vjetra mjeri se anemometrom. Pri analizi stabilnosti vjetroelektrane dominantan je model promjene brzine strujanja vjetra. Kod provo�enja prora�una, uglavnom se pretpostavlja da brzina vjetra u najsloženijom obliku ima 4 komponente: osnovnu komponentu brzine vjetra, komponentu linearne promjene brzine vjetra, komponentu udarne promjene brzine vjetra i komponentu promjene brzine vjetra koja je podložna šumu. Budu�i da do visine 200m postoje tehni�ka rješenja koja kineti�ku energiju gibanja zra�nih masa tj. vjetra pretvaraju u elektri�nu energiju, mogu�e je koristiti naziv tehni�ki vjetar. Struja tog vjetra poreme�ena je razli�itim utjecajima kao što su turbulencija (mehani�ki i termi�ki uvjetovana lokalna nepravilna gibanja), hrapavost površine, dnevni i no�ni temperaturni gradijent, topografija terena ( prepreke, uzvisine, gra�evine i sli�no) i vanjski poreme�aji (silazna strujanja od oluja). Navedene prepreke na koje vjetar nastrujava na putu do vjetroturbine, dakle ometaju strujanje i op�enito umanjuju vjetropotencijale.

Prilikom postavljanja VE potrebno je izvršiti dodatni prora�un vjetropotencijala (korekciju vjetropotencijala) na mjestima udaljenim od mjernih postaja, jer podaci o vjetropotencijalu (dobiveni dugotrajnim mjerenjima) na jednom mjestu nisu isti i na nekom drugom mjestu �ak i ako je relativno mala njihova me�usobna udaljenost.

Zbog turbulentnog karaktera strujanja vjetra potrebno je izvršiti osrednjavanje prikupljenih podataka o brzinama vjetra u odre�enom vremenu ( u praksi klimatologije iznosi 1h, a u sinopti�koj praksi 10 min). Mjerenja brzine vjetra se naj�eš�e vrše na visini od 10m. Višegodišnji prikupljeni podaci se najbolje aproksimiraju Weibullovom funkcijom (razdiobom) koja daje vjerojatnost pojave vjetra f(v) tijekom nekog vremenskog perioda.

Uslijed utjecaja hrapavosti dolazi u grani�nom sloju do promjene profila brzine; brzina vjetra se mijenja po visini od 0 na tlu, do iznosa beskona�ne struje.

- 41 -

3.3.1. VRSTE VJETROELEKTRANA I NJIHOVA PRIMJENA

Vjetroturbina može imati jednu ili više elisa. Njezinim korištenjem transformira se energija vjetra u mehani�ku energiju. Naj�eš�e rješenje predstavlja izvedba s tri elise ( s obzirom na razinu buke i vizualni efekt).

Vjetroturbine se mogu podijeliti prema razli�itim kriterijima. Tako npr. s obzirom na neke konstrukcijske i radne zna�ajke postoji podjela ovisno o:

• položaju osi turbinskog kola: vjetroturbine s vodoravnom osi i okomitom osi. • omjeru brzine najudaljenije to�ke rotora i brzine vjetra: brzohodne i sporohodne. • broju lopatica: višelopati�ne, s nekoliko lopatica i s jednom lopaticom. • veli�ini zakretnog momenta: visokomomentne i niskomomentne. • na�inu pokretanja: samokretne i nesamokretne. • efikasnosti pretvorbe energije vjetra u zakretni moment: nisko i visoko efikasne. • na�inu okretanja rotora prema brzini vjetra: promjenjive i nepromjenjive.

Izvedbe vjetroelektrana s vodoravnim vratilom, brzohodne s dvije do �etiri lopatice predstavljaju klasi�ne vjetroelektrane, odnosno najve�e i op�e prihva�ene vrste vjetroturbina koje se koriste za proizvodnju elektri�ne energije. One se dakle naj�eš�e nalaze u serijskoj proizvodnji, a i konstrukcijski su najviše napredovale dok su ostali tipovi primjenjivi u manjem broju ( više kao eksperimentalna postrojenja ili kao npr. višelopati�ne vjetrenja�e koje se koriste za crpljenje vode zbog velikog torzijskog momenta koji stvaraju).

- 42 -

3.3.2. DIJELOVI VJETROTURBINSKOG – GENERATORSKOG SUSTAVA I NJIHOVA FUNKCIJA

Segmenti turbine okomitog vratila su slijede�i:(1) rotor , (2) ko�nice, (3) upravlja�ki i nadzorni sustav, (4) generator, (5) zakretnik, (6) ku�ište, (7) stup, (8) temelj, (9) transformator, (10) posebna oprema, (11) prijenosnik snage.

Slika 3-3-2-1. Osnovni dijelovi turbine okomitog vratila

(1) Rotor

Sastavni dijelovi rotora vjetroturbine su glav�ina i lopatica. Ovisno o tome kako reguliramo snagu, rotor može biti izveden:

• tako da se regulaciju napadnog kuta tijekom rada vrši zakretanjem lopatice, na na�in da se profil namješta u optimalni položaj (eng. pitch). Ovakva regulacija je složena i rotori ovakve izvedbe su skuplji, ali nužno primjenjeni za lopatice duže od 25-30 m. Tako�er postoji poseban motor za zakretanje, koji mijenjaju�i postavni kut lopatice mijenja napadni kut struje zraka. Na taj na�in se postiže smanjenje snage turbine za brzine vjetra manje od projektne, odnosno brzine vjetra iznad projektne (namještaju�i na optimalnu vrijednost na po�etku rada vjetroturbine).

• tako da se regulacija snage vjetroturbine vrši korištenjem aerodinami�kog efekta poreme�enog trokuta brzina (eng. stall). Dakle s promjenom brzine vjetra mijenja se na aeroprofilu napadni kut struje zraka, odnosno dolazi do poreme�aja trokuta brzina te do porasta ili gubitaka uzgona (tako npr. ako brzina vjetra poraste iznad projektne vrijednosti, kut više nije optimalan). Za ovaj slu�aj izvedbe rotora lopatice nemaju mogu�nost zakretanja. Me�utim, kako je vjetroturbina projektirana za neko podru�je brzina, u ovom slu�aju izvedbe lopatice imaju unaprijed namješten kut za doti�no

- 43 -

podru�je brzina (što omogu�uje najve�u transformaciju energije vjetra u elektri�nu energiju).

Lopatice Tako�er, s obzirom na izvedbu možemo razlikovati lopatice sa zakretnim vrhovima (kao aerodinami�kim ko�nicama) ili s krilcima. Ove druge funkcioniraju na na�in da se krilca odvajaju od površine, smanjuju�i aerodinami�ke zna�ajke profila kod brzine iznad projektne. Obje izvedbe su ujedno sekundarni ko�ioni sustavi, koji u slu�aju otkaza primarnog ko�ionog 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 rastere�enog kola. Dakle, zakretni vrh i pomi�na površina sekundarnog ko�ionog sustava nazivaju se ko�nici, koje je mogu�e aktivirati središnjim zakretnim sustavom (signali ispada ili vrtnje) ili pojedina�nim neovisnim sustavom (centrifugalnom silom). Rotor za ove ko�nice treba biti opskrbljen posebnim polužnim napravama namijenjenim za zakretanje. Kada je postignuto smanjenje brzine vrtnje, ko�nici se vra�aju u po�etni položaj i �ine radni dio lopatice. (2) Ko�ioni sustav

Kada generator ispadne iz mreže (pobjeg), odnosno brzina naleta vjetra prije�e maksimalnu vrijednost (isklju�nu vrijednost, npr. 25 m/s) dolazi do izrazitog dinami�kog optere�enja. Zato mora postojati ko�ioni 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�ionog sustava (kojom se na suvremenim strojevima upravlja mikroprocesorski), a smještena je na sporookretnom vratilu kola prije prijenosnika (11) ili na brzookretnom vratilu generatora. Prilikom odabira broja ko�ionih elemenata na disku ko�nice, naglasak treba staviti na izbjegavanje neuravnoteženosti obodnih sila ko�enja, odnosno na postizanje optere�enosti turbine isklju�ivo momentom ko�enja. Djelovanje im može biti elektromagnetsko ili hidrauli�ko, a aktiviraju se signalom generatora (zbog ispada iz mreže, dakle prekid strujnog kruga) ili signalom ure�aja kojim se mjeri brzina vrtnje generatora. (3) Upravlja�ki i nadzorni sustav Kao što samo ime kaže, ovaj sustav je u osnovi zadužen za 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. Dakle, mikroprocesorski upravljani sustav nadzire i upravlja radnim procesima i zaštitom, daje podatke o radu, elektri�kim i mehani�kim stanjima, obra�uje podatke, komunicira sa zaduženim osobljem te izvještava ili alarmira u slu�aju nekakvog kvara, požara ili sli�no. (4) Generator Turbinski dio vjetrelektrane s rotorom, ko�nicama i prijenosnikom snage predstavlja važan dio cjelokupnog sustava, �ija je osnovna funkcija pogon generatora.

- 44 -

Za pravilno i sigurno funkcioniranje 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 • uležištenje generatora na na�in da jam�e dugotrajnost

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 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 • samostalni rad • 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. (5) Zakretnik Služi za zakretanje turbinskog ili 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 vratila rotora s pravcem vjetra. To je naravno, u ovisnosti o vrsti vjetroturbine, odnosno dali je ista postavljena niz vjetar ili uz vjetar. 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). (6) Ku�ište stroja S jedne strane štiti generatorski sustav od okolišnih utjecaja, a s druge štiti okoliš od buke doti�nog sustava. (7) Stup Može biti izveden kao cjevasti koni�ni, teleskopski, rešetkasti, u�vrš�eni i 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

- 45 -

u jednostavnosti, a budu�i da ju je mogu�e rastaviti na manje dijelove prikladnija je za transport i montažu.

a) cjevasti koni�ni b) teleskopski c) rešetkasti

d) u�vrš�eni e) povezani Slika 3-3-2-2. Izvedbe stupova

(11) Prijenosnik snage - 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 kola na elektri�ni generator, naro�itu važnost zauzimaju materijali izrade elemenata sklopa, vrsta prijenosa i prijenosni omjer. Ukratko:

• vjetroturbina i generator su spojeni pomo�u mehani�ke spojke za koju se naj�eš�e podrazumijeva da u sebi ima mjenja�ku kutiju s prijenosnikom. Prijenosnik, kao što je ve� re�eno, ima funkciju prilago�avanja niže brzine vrtnje rotora vjetroturbine višoj brzini vrtnje rotora generatora.

• ukoliko su generatori višepolni niskobrzinski i po mogu�nosti sinkroni s uzbudnim namotom ili uzbudnim permanentnim magnetima, mehani�ki prijenosnik nije potreban (što je slu�aj kod vjetroturbina novijeg dizajna).

• iznos snage pretvorbe vjetroturbine regulira se pomo�u sustava za upravljanje kutom zakreta elise (eng. pitch regulated), koji tako�er može postojati unutar opreme nekih vjetroturbina ali i ne mora. Korištenjem tog regulacijskog mehanizma elisa se zakre�e oko svoje duže osi i omogu�uje smanjenje mehani�ke snage, ovisno o karakteristikama vjetroturbine. Ako vjetroturbina nema regulacijski sustav zakretanja, naglasak se stavlja na konstrukciju elisa koje se projektiraju prema aerodinami�kom efektu - tako je, u slu�aju previsokih brzina vjetra, vjetroturbina zašti�ena od povišenja snage.

- 46 -

3.3.3. RAZVOJ VJETROENERGETIKE

Vjetrogeneratori su tehnološki usavršavani, poboljšana su nalaženja optimalnih rješenja s obzirom na meteorološke uvjete i lokalne zahtjeve, prilago�avana prate�a pravna regulativa koja nije do tada sasvim precizno obra�ivala ovu cjelinu. Svi ovi detalji utjecali su da cijena elektri�ne energije dobijene iz vjetra stalno i lagano pada.

Opseg korisnog rada vjetroelektrane je za brzine vjetra izme�u 4-25 m/s, s tim što se maksimalna proizvodnja postiže ve� pri brzinama od 12-16 m/s. Eksploatacijski vijek turbine je 15-20 godina dok najnovija generacija ima vijek do 25 godina, što je vrlo bitan detalj pri izradi financijskih analiza opravdanosti investiranja u ova postrojenja. Sam izbor optimalne turbine odre�uju meteorološki parametri konkretnog lokaliteta. Kompjuterska automatika kontrola snage na turbini danas je tako�e riješila jedan problem, nagli gubitak brzine na osovini turbine koji nastupa usled turbulencija zraka izazvanih nepovoljnim trenutnim aerodinami�nim okolnostima i on se, kao vrlo štetan, uspješno izbjegava kompjuterskom kontrolom snage.

Vjetrogeneratori definitivno imaju odre�ene prednosti kao izvor elektri�ne energije u odnosu na sve druge na�ine proizvodnje iz fosilnih, nuklearnih, ili drugih obnovljivih izvora. Elektrane na vjetar koje na nivou godine proizvedu do 2 miliona kWh zauzimaju samo 100m2 zemljišta, dok elektrane sa solarnim �elijama za proizvodnju iste koli�ine energije zauzmu oko 140 000 m2. Prosje�na hidroelektrana za istu koli�inu proizvoda zauzme 200 ha potopljenog zemljišta. Dakle, veli�ina zauzetosti terena kod vjetrogeneratora je minimalan. Vjetrogenerator snage 1 MW godišnje proizvede godišnje elektri�ne energije onoliko koliko i termoelektrana sa 1750 tona ugljena. Dakle, svaki novoinstalirani MW iz vjetroelektrana spre�ava emitiranje štetnog CO2 u atmosferu iz koli�ine od 1750 tona ugljena.

Novim tehnološkim rješenjima buka koju stvaraju vjetrogeneratori smanjena je na pristojnih 47 dB na 150 metara udaljenosti od osnovice stupa.

Slika 3-3-3-2. Utjecaj buke od osnovice stupa

Strogi me�unarodni propisi definiraju minimalnu udaljenost vjetrogeneratora od naseljenih lokacija, aerodroma, navigacijskih ure�aja itd, da bi se sprije�io eventualni uticaj. Što se ti�e negativnog uticaja na pti�ji svijet, problem je bio predimenzioniran od strane društava za

Slika 3-3-3-1. Brzina vjetra na osovini rotora

- 47 -

zaštitu životinja. Koridori ptica selica su visoko iznad vjetrogeneratora, a pokazalo se da je za ptice ve�a opasnost telekomunikacijska oprema na visokim kotama, avioni u niskom letu, ili aerodromi. Vjetrogeneratori mogu povremeno izazvati i neznatne smetnje kod radio i TV prijema. Problemi sa padanjem komada leda sa lopatica, koji su u po�etku prisutni, sada su riješeni.

Izbor turbine sa optimalnim karakteristikama vrši se na osnovu više parametara i pokazatelja, ali dominantan utjecaj ima konkretna lokalna meteorološka slika. Snaga strujanja vjetra Ps=1/2rVv2(W) naj�eš�e se izražava kao Ps=0,625Av3(W) gdje je:

volumen zraka koji struji

u jedinici vremena:..............................V(m3/s)

gusto�a zraka: ..........................r=1,25 kg/m3

površina rotora: ................................. A(m2)

brzina strujanja zraka: ..................... v(m/s)

ili prema Zakonu o iskoristivoj snazi vjetra, koji je utvrdio Njemac Albert Betz (1919. godine), korisna (iskoristiva) snaga turbine na vjetar je 16/27 tj. 0.593 od snage strujanja vjetra, pa je iskoristiva snaga vjetra P0 odre�ena relacijom:

P0=0,371 Av3(W), pa kako je A=D2p/4....slijedi.... P0=0,291D2v3(W)

Kako je Pmeh snaga na osovini vjetrogeneratora i iznosi 70% od P0, a s obzirom da je stupanj korisnog djelovanja generatora izme�u 80-85%, dobija se da je elektri�na snaga Pel=0,215Av3 što predstavlja oko 34% snage strujanja vjetra Ps. Ovaj obrazac za izra�unavanje snage na osnovu površine kruga elise i brzine vjetra vrijedi, i to približno, samo u domeni racionalne eksploatacije turbine za brzine vjetra od 4-12 m/s, ali je vrlo koristan i dosta precizan za sve vrste prora�una i izra�unavanje prozvodnje. Za brzine preko 12 m/s snaga se održava konstantnom, a za brzine preko 25 m/s generator se isklju�uje, iz sigurnosnih razloga.

Svaki proizvo�a� turbina daje osnovne karakteristike snage pri razli�itim brzinama vjetra. Kada se ove karakteristike usklade sa ve� utvr�enim potencijalom vjetra, lako se izra�unava mogu�a proizvodnja na nivou godine.

Mreža

Prema vrsti priklju�enja na mrežu vjetroelektrane se mogu podijeliti na:

1. Vjetroelektrane izravno priklju�ene na mrežu i u izvedbi sa stalnom brzinom vrtnje:

(A) Vjetroturbina s asinkronim generatorom - 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

- 48 -

uklopive kondenzatorske baterije) i priklju�ni ure�aj kako bi se omogu�ilo po�etnu sinkronizaciju s mrežom.

(B) Vjetroturbina sa sinkronim generatorom - 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.

2. Vjetroelektrane u izvedbi s promjenjivom ili djelomi�no promjenjivom brzinom vrtnje: (A) Sinkroni ili asinkroni generator s pretvara�em u glavnom strujnom krugu. (B) Asinkroni generator s upravljivim promjenljivim klizanjem (C) Asinkroni generator s nadsinkronom ili podsinkronom pretvara�kom kaskadom Svaki od navedenih sustava može ali i ne mora imati sustav za regulaciju kuta zakreta elisa. U odnosu na vjetroelektrane u izvedbi sa stalnom brzinom vrtnje, koje karakterizira jednostavnost i mala cijena, vjetroelektrane u izvedbi s promjenjivom brzinom vrtnje pružaju mogu�nost: ve�e proizvodnje elektri�ne energije, manjih mehani�kih naprezanja mehani�kih dijelova i ravnomjernije proizvodnje, manje ovisne o promjenama vjetra i njihajima u sustavu. Vjetroelektrane s vjetroturbinama �iji je raspon nazivnih snaga izme�u 50 kW i 1500 kW, naj�eš�e su izvedene s asinkronim generatorom izravno priklju�enim na mrežu, dok je priklju�ak sinkronog generatora na mrežu korišten kod nekih malih vjetroelektrana, koje su uglavnom u samostoje�im sustavima. Regulacijski sustav zakretanja elisa obièno se ne izvodi kod najve�ih jedinica. Pogon s promjenjivom brzinom vrtnje vjetroturbine karakterizira postizanje optimizacije u�inkovitosti vjetroturbine, odnosno maksimalnog iskorištenja raspoložive energije vjetra. Odgovaraju�om kombinacijom generatora i pretvara�a (koji je utemeljen na energetskoj elektronici) mogu�e je realizirati pogon s promjenjivom brzinom vrtnje. Postoji više takvih kombinacija, a svaka nosi sa sobom svoje prednosti i nedostatke vezano za troškove, pogonske i upravlja�ke karakteristike, regulaciju faktora snage, složenost, harmoni�ke �lanove, dinami�ka svojstva itd. Kako bi se smanjili troškovi, elektri�ne komponente agregata se projektiraju za niske napone (do 1000 V) zbog �ega su naj�eš�e potrebni transformatori. U slu�aju individualnog priklju�enja agregata na mrežu i vrijednosti nazivne snage vjetroelektrane manje od 100 kW, priklju�ak je izveden na srednje naponsku mrežu od 10 kV do 66 kV. Za vjetroelektrane ve�e od 50 MW, priklju�ak se izvodi na visokonaponsku mrežu.

Stabilnost EES-a

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 ees-a. Pod pojmom stabilnost podrazumijeva se iznos napona, kut utora, frekvencija, koji mogu biti promijenjeni (poreme�eni) uslijed priklju�enja

- 49 -

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. Kad se kaže 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. Distribuirana proizvodnja uzrokuje promjene tokova djelatne i jalove snage, te stvara zna�ajne tehni�ke i ekonomske posljedice po ees. 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. Kod modeliranja vjetroelektrane, ne smije se zanemariti razmatranje elektroni�kog su�elja (suvremene izvedbe) prema izmjeni�noj mreži, generatora, vjetroturbine (pogonskog stroja), te naravno vjetra kao primarnog energenta.

Vjetroelektrane u novije vrijeme

Više od 85% u proizvodnji vjetroelektrana �ine Njema�ka, Danska i Španjolska, �ime zauzimaju na tom podru�ju zasluženo dominantno mjesto. Prema istraživanjima GWEC-a u razdoblju od 1993. do 2003. prosje�na stopa rasta instalirane snage je bila 31% u svijetu, a 32% u EU. Krajem 2004. godine instalirana snaga vjetroelektrana u svijetu iznosila oko 47 GW, a u EU 34 GW.

Predvi�anja:

Prema GWEC-u do 2020. godine procjenjuje se 1240 GW ukupne instalirane snage

vjetroelektrana. Dok se vrijednost industrije vjetroenergetike suvremeno kre�e cca. EUR i broj zaposlenih cca. 100 000, za 2020. godinu se predvi�a 3000 TWh godišnje proizvodnje, odnosno 12% ukupne proizvodnje elektri�ne energije u svijetu u vrijednosti od

EUR, te uz dvostruko manju cijenu opreme, odnosno izgradnje predvi�a se ukupno 2 300 000 zaposlenih. U slijede�ih 10 - 15 godina procjena je da �e 30 - 35% investicija u nove elektrane odlaziti u vjetroelektrane. S ekološkog aspekta i Kyoto protokola te s pozicije prihvatljivosti od strane lokalne zajednice, vjetroenergetika ima velike potencijalne mogu�nosti daljnjeg razvoja. Osim toga, u prilog razvoju vjetroenergetike tako�er ide �injenica da je potrebno vrijeme izgradnje vrlo kratko, zatim smanjivanje troškova izgradnje te zakonski definirani poticaji koji zapravo podrazumijevaju fiksne tarife, obveze otkupa, niže kamatne stope, porezne olakšice i sli�no. Nadalje, cijene klasi�nih izvora elektri�ne energije odnosno nafte, plina i ugljena rastu. Uz svaki od njih veže se odre�eni nedostatak koji ide u prilog ve� spomenutom razvoju vjetroelektrana. Tako npr. kod plina se kao problem pojavljuje stabilnost cijena i sigurnost opskrbe vezano za plinovode, dok ugljen karakteriziraju ekološki problemi i protivljenje javnosti. Sli�no je s nuklearnom energijom koja tako�er nailazi na protivljenje javnosti zbog, izme�u ostalog, nuklearnog otpada te nesigurnosti i straha od opasnosti njegove radijacije. U razvijenim zemljama ekonomski

- 50 -

hidropotencijal je uglavnom iskorišten, ostali obnovljivi izvori nisu komercijalizirani jer su još skuplji od vjetroelektrana, a novih izvora energije nema. Sve to ukazuje na najve�u potencijalnu mogu�nost daljnjeg razvoja i komercijaliziranja vjetroenergetike kao obnovljivog izvora energije.

Cijena vjetroelektrana

Ulaganje u razvoj vjetronergetike kao obnovljivog izvora energije prvenstveno je bilo potaknuto ekološkim osvještavanjem �ovje�anstva. Prije 10-ak godina vjetroelektrane su predstavljale neisplativ izvor energije, jer tada sa svojom cijenom i snagom nisu mogle konkurirati dominantnim tehnikama proizvodnje elektri�ne energije, kao što su hidroelektrane, termoelektrane na fosilna goriva te nuklearne elektrane. Osim toga, kako su snage koje su vjetroelektrane razvijale bile male,a instalacije relativno skupe te je zbog �estih varijacija vjetra (uzrokovanih meteorološkim uvjetima) sam proces proizvodnje nekontinuiran, to je posljedi�no i efektivnost vjetroelektrana bila mala.

Rastom ekološke svijesti �ovje�anstva prema okolišu koje je bilo ugroženo razli�itim vidovima zaga�enja (kao što je uslijed izgaranja fosilnih goriva u termoelektranama dobro poznat efekt staklenika, zatim kod nuklearnih elektrana ekološki problem skladištenja nuklearnog otpada ili kod izgradnje hidroelektrana uništenje rije�nih staništa) rasla je i zanimacija za razmatranjem obnovljivih izvora. Budu�i da je civilizacijskim rastom rasla i neizbježna �injenica da je potreba za energijom sve ve�a nastojalo se, dakle primjenom obnovljivih izvora barem djelomi�no rasteretiti atmosferu i geosferu od spomenutih negativnih utjecaja. Vjetroenergetici u prilog ide i visina cijene same energije koja se, zahvaljuju�i unaprje�enju tehnologije proizvodnje vjetroenergetskih postrojenja, približava prihvatljivim vrijednostima.

Tako je npr. krajem 80-ih godina cijena elektri�ne energije dobivene vjetroelektranama u SAD-u iznosila 38 c/kWh, dok je 2003. godine cijena tako dobivene energije pala na samo 3 c/kWh, a danas je uobi�ajeno 4 do 6 c/kWh. Dakle, osnovno nastojanje stru�njaka, prilikom osnivanja vjetroelektrane, u budu�nosti je smanjenje cijene proizvodnje energije na 2 do 3 c/kWh. Time bi vjetar kao energetski izvor postao konkurentan elektranama na fosilna goriva, odnosno iskorištenje energije vjetra bi podrazumijevalo prodor obnovljivih izvora energije na svjetskom tržištu energenata. Budu�i da Europa nema dovoljnu kontrolu tržišta fosilnih goriva, zadnjih 10 godina može se uo�iti njezino stremljenje ka istraživanju i gradnji postrojenja koja koriste obnovljive izvore energije, a kao najrazvijenije me�u njima isti�e se iskorištavanje vjetra.

Cijena je jedan od važnih faktora i zapravo predstavlja najve�i limit pri projektiranju i odabiru materijala i postupka za izradu vjetroelektrane. Da bi dobili ciljanu cijenu proizvodnje energije vjetrom od 2 do 3 c/kWh jako je važno koncentriranje na izbjegavanje preskupih komponenti od kojih je vjetroelektrana izra�ena. Prema nekim statistikama npr. pogon s promjenjivom brzinom vrtnje u odnosu na pogon sa stalnom brzinom postiže na godinu i do 40% ve�i iznos predane elektri�ne energije. Najskuplji dio vjetroelektrane je njezina turbina, me�utim veli�ina i cijena generatora uz uklju�enu u�inkovitost regulacijskog sustava bez sumnje �ine zna�ajne investicijske troškove. Da bi opravdali uvo�enje pogona s promjenjivom brzinom vrtnje, nužna je pažljiva financijska analiza. Ekonomsku isplativost mogu�e je posti�i i uz ve�e po�etne investicijske troškove pogona s promjenjivom brzinom vrtnje, pod uvjetom da je cijena isporu�ene energije dovoljno visokog iznosa.

- 51 -

Zastupljenost vjetroenergetike u svijetu

1990. godine SAD je držao 3/4 svjetskog tržišta vjetroelektrana, a 14 godina kasnije (dakle 2004. godine) drži samo 20%. Njema�ka koja drži 40% svjetskih instaliranih kapaciteta, može se nazvati današnjom "supersilom", ako je rije� o proizvodnji komponenti za proizvodnju elektri�ne energije snagom vjetra. Kao naro�ito zna�ajan, isti�e se tako�er razvoj energetskog sektora Danske koji uz pomo� energije vjetra podmiruje 10% svojih energetskih potreba. Danska, me�utim, planira pove�ati udio energije vjetra u cjelokupnoj proizvodnji energije na 20% do 2020-te (analiti�ari smatraju da ovakva predvi�anja mogu biti ugrožena jedino spoznajom da �e Danska komponente vjetroelektrana izvoziti drugim, uglavnom europskim državama koje nemaju tehnologiju proizvodnje vjetroelektrana, a ra�unaju�i u svojim planovima za podmirenje energetskih potreba na zna�ajan udio vjetroelektrana u svojim elektroenergetskim sustavima). Od 1990. do 2003. može se uo�iti porast u proizvodnim kapacitetima u MW-ima gotovo 18 puta. 1996. godine, godišnji porast je bio samo 6% , dok je prema podacima iz 2003. godine bio gotovo 52%. Dakle, trend naglo raste.

Slika 3-3-3-3.. Rast instaliranih vjetroenergetskih kapaciteta u svijetu

Vjetroelektrane danas predstavljaju 0,4% svjetskih proizvodnih energetskih kapaciteta sa približno 33000 MW, me�utim planovi za njihovo pove�avanje kapaciteta su sve ve�i. Njema�ka, Španjolska, SAD, Danska i Indija predstavljaju 5 najve�ih svjetskih konzumenata elektri�nom energijom dobivenom od vjetra. Te zemlje u budu�nosti planiraju na tom podru�ju, dakle energije vjetra, još intenzivniji razvoj.

- 52 -

3.4. GEOTERMALNA ENERGIJA

Geotermalna energija obuhva�a samo onaj dio energije koji se može pridobiti iz Zemljine unutrašnjosti i koristiti u energetske svrhe. Geotermalna energija posljedica je raznih procesa koji se zbivaju u dubinama Zemlje - polagani prirodni raspad radioaktivnih elemenata (prvenstveno urana, torija i kalija-40) koji se nalaze u Zemljinoj unutrašnjosti.

Temperatura Zemljine unutrašnjosti raste s pove�anjem dubine, a stijene temperature izme�u 600 i 1.200°C nalazi se ispod Zemljine kore na dubini od 80 do 100km, a procjenjuje se da je temperatura u Zemljinom središtu, na oko 6.400km dubine, oko 4.000°C. Promjena temperature s dubinom slojeva naziva se geotermalnim gradijentom koji u Europi prosje�no iznosi 0,03 °C/m, a u Hrvatskoj su uobi�ajene vrijednosti:

• u podru�ju Dinarida i na Jadranu: od 0,015 do 0,025 °C/m • u panonskom podru�ju: oko 0,04 °C/m.

Do dubine 30 m toplina Zemljine površine uvjetovana je i Sun�evim zra�enjem, a u tim je slojevima temperatura gotovo konstantna.

Toplina neprestano te�e od unutrašnjosti prema površini. Na temelju geotermalnog gradijenta obavljaju se prve procjene perspektivnosti nekog istražnog polja.

Slika 3-4-1. Presjek unutrašnjosti Zemljine kugle

Procjenjuje se kako toplinski tok iz unutrašnjosti do površine Zemlje iznosi 42 TW. Pri tome 8 TW potje�e iz Zemljine kore (koja �ini samo 2% ukupnog volumena, ali je bogata radoaktivnim izotopima), 32,3 TW iz plašta (82% volumena), a tek 1,7 TW iz jezgre (�ini 16% volumena, ali nema izotopa). Cjelokupna bi se geotermalna energija Zemlje (tj. Zemlje kao planeta) mogla procijeniti na 12,6 × 10 24 MJ, a kore na 5,4 × 10 21 MJ. Dakako, samo jedan manji dio svega toga mogao bi se u�inkovito iskorištavati.

- 53 -

Tablica 3-4-1. Svjetski geotermalni potencijal (podaci iz 2001. godine, prema Svjetskoj geotermalnoj udruzi) kontinent visokotemperaturni izvori (za proizvodnju

elektri�ne energije) niskotemperaturni izvori (za dobivanje topline),

mil. TJ godišnje uz uobi�ajene tehnologije, TW h godišnje

uz uobi�ajene i binarne tehnologije, TW h godišnje

Europa 1830 3700 > 370 Azija 2970 5900 > 320 Afrika 1220 2400 > 240 Sjeverna Amerika 1330 2700 > 120 Srednja i Južna Amerika 2800 5600 > 240 Oceanija 1050 2100 > 110 svijet, ukupno 11 200 22 400 > 1400

3.4.1. GEOTERMALNI IZVORI

Pod pojmom geotermalni izvori podrazumijevaju se izvori geotermalnog medija vode iz podzemnih ležišta koja mogu biti bez dovoda vode (napajanja) s površine ili s prirodnim ili umjetnim dovodom vode s površine koja tada prolazi kroz podzemna ležišta.

Podru�ja koja imaju najve�i broj geotermalnih izvora istodobno su i ona koja su geološki još vrlo aktivna, to jest koja imaju aktivne vulkane ili u kojima �esto dolazi do potresa. To su podru�ja oko Tihog oceana (tzv. cirkumpacifi�ki vatreni krug: zapadni dijelovi SAD i Kanade, Srednja Amerika, zapadne obale Južne Amerike, Novi Zeland, Indonezija, Filipini, Japan i isto�ni Sibir), srednjoatlanski greben (Island i Azorsko oto�je), planinski lanci kao što su Alpe i Himalaja, isto�na Afrika, središnja Azija te neka tihooceanska oto�ja.

Geotermalni se izvori mogu podijeliti na nekoliko osnovnih na�ina:

• prema stupnju istraženosti, odnosno potvr�enosti ležišta • prema vrsti ležišta • prema temperaturi medija (tople ili vrele vode ili pare).

Prema stupnju istraženosti ležišta, poznavanju kemijskog sastava i fizikalnih svojstava medija (vode ili pare), parametrima potrebnim za njihovo utvr�ivanje i mogu�nostima za iskorištavanje geotermalni se izvori dijele na:

1. utvr�ene o bilan�ne (koje se mogu se isplativo iskorištavati do sada poznatim tehni�kim

sredstvima) o izvanbilan�ne (koje se još ne mogu isplativo ili se uop�e ne mogu iskorištavati

poznatim tehni�kim sredstvima) 2. potencijalne.

- 54 -

Geotermalni se izvori prema vrsti geotermalnih ležišta dijele prema:

1. napajanju, odnosno na�inu ulaska medija u ležište i izlasku iz njega: o s prirodnim ulaskom (napajalištem) i izlaskom: vrelom ili izvorom vode o s prirodnim ulaskom i umjetnim izlaskom vode, kroz bušotinu o s umjetnim ulaskom i izlaskom vode (bušotine).

2. termodinami�kim i hidrološkim svojstvima: o izvori tople ili vru�e vode (gejzire) o izvori suhe vodene pare o ležišta vode i plinova pod visokim tlakom o vru�e i suho stijenje(magma).

Izvori tople ili vru�e vode (ponegdje nazivani gejzirima ) naj�eš�i su i najprepoznatljiviji na�in dolaska zagrijane vode iz dubine na površinu Zemlje. Potje�u od vru�e vode ili pare koja se nalazi zarobljena u razlomljenom i šupljikavom (poroznom) stijenju na manjim ili srednjim dubinama (od 100 do 4500 m). Pri tome je medij najve�im dijelom u teku�oj fazi, a tek manjim dijelom u obliku pare (kao mjehuri�i). Kada je temperatura dovoljno visoka (> 170 °C), voda se pri izlasku na površinu pretvara u paru koja se može koristiti za pogon parne turbine, a kada su temperature niže redovito se koristi sekundarni prijenosnik topline (tzv. binarne geotermalne elektrane). Ina�e, izvori vru�e vode za sada predstavljaju jedini geotermalni izvor koji se u svijetu komercijalno iskorištava.

Izvori suhe vodene pare na svijetu su razmjerno rijetki, ali se smatraju najjednostavnijima i najisplativijima za iskorištavanje jer se prirodna suha vodena para može izravno koristiti za pogon parne turbine.

Ležišta vode i plinova pod visokim tlakom nalaze se na velikim dubinama (od 3000 do 6000 m). Voda je pri tome umjerene temperature (izme�u 90 i 200 °C) i sadržava otopljeni metan. Zahvaljuju�i vrlo visokim tlakovima bilo bi mogu�e iskorištavati mehani�ku, toplinsku pa i kemijsku energiju, no uz današnje tehnologije to se još ne smatra isplativim.

Vru�e i suho stijenje , odnosno magma nalaze se u nepropusnim slojevima na velikim dubinama i imaju visoku temperaturu, izme�u 700 i 1200 °C. Za njihovo bi iskorištavanje bila potrebna složena tehnologija (dovoljno duboke bušotine), što još nije isplativo ni tehnološki posve razra�eno.

3.4.2. KLASIFIKACIJA PREMA TEMPERATURI FLUIDA

Ova podjela geotermalnih resursa naj�eš�e je korištena, a geotermalne vode su podijeljene na:

- niske (<90°C),

-srednje(90-150°C) i

-visoko temperaturne fluide(>150°C)

- 55 -

3.4.3 PROIZVODNJA ELEKTRI�NE IZ GEOTERMALNE ENERGIJE

Proizvodnja elektri�ne energije je najvažniji na�in iskorištavanja visokotemperaturnih geotermalnih izvora (>150 °C). Najekonomi�niji i najjednostavniji na�in proizvodnje elektri�ne energije je iz ležišta suhe vodene pare. Vodena para pod pritiskom iz geotermalnog izvora se dovodi na lopatice obi�ne parne turbine, a iza nje se ispušta zrak. Kod visokotemperaturnih geotermalnih ležišta, u kojima je vru�a voda dominantan fluid (>170 °C), vru�a voda se na površini isparava i, nakon odvajanja teku�e faze u separatoru, pušta se na lopatice turbine za pokretanje elektri�nog generatora. Ukoliko je temperatura vode dovoljno visoka, voda se može ispariti u još jednom koraku i ponovno je mogu�e proizvoditi el. enegiju (proces dvostrukog isparavanja). Ako je temperatura geotermalnog fluida srednja (100-150 °C), toplina iz fluida se koristi za isparavanje drugog; sekundarnog lako hlapivog radnog fluida koji pokre�e lopatice turbine – binarni proces. Najzna�ajniji proizvo�a�i 1995. bili su SAD, Filipini, Meksiko, Italija, Japan i Indonezija. Snaga svih geotermalnih elektrana u svijetu 1995. iznosila je 6762 MW.

Slika 3-4-3-1. Shema binarnog postrojenja za pretvorbu geotermalne u elektri�nu energiju

Nisko i srednje temperaturni fluidi koriste u izravnoj upotrebi. Najvažniji oblici izravne upotrebe geotermalne energije su:

-grijanje i hla�enje prostora,

-primjena toplinskih pumpi (podižu toplinu nisko temperaturnim geotermalnim vodama),

-upotreba u stakleni�koj proizvodnji vo�a i povr�a,

-grijanje bazena i primjena u balneologiji,

-industrijska upotreba i procesi sušenja,

- 56 -

-akvakultura (grijanje bazena za uzgoj ribe).

Kao najbolja predodžba upotrebe geotermalne energije po visini temperature geotermalnog fluida koristi se Lindal-ov dijagram, (prema B. Lindalu, islandskom inženjeru koji je prvi predložio pogodne temperature za pojedine procese iskorištavanja geotermalne vode 1985.).

Slika 3-4-2. Lindalov temperaturni dijagram korištenja GTE

- 57 -

Upotreba geotermalne energije u svijetu

Tablica 3-4-3. Ukupna upotreba GTE u svijetu 2000.

Upotreba Instalirana snaga, MWt

Godišnja potrošnja energije, TJ/god

Faktor iskorištenja

Broj zemalja

korisnika Elektri�na energija 7.974 177.340 0,71 21 Izravna upotreba 16.210 162.009 0,32 58

Broj zemalja u kojima se geotermalna energija koristi za proizvodnju elektri�ne energije mnogo manji od broja zemalja koje koriste izravnu upotrebu. Ta �injenica se objašnjava sa time da veoma mali postotak geotermalnih ležišta odgovara obzirom na investicijska ulaganja koja su relativno velika za gradnju elektrane na geotermalnu energiju.

Tablica 3-4-4. Pregled direktne upotrebe GTE u svijetu po kategorijama sa usporedbom 1995. i 2000.god.

Instalirani kapaciteti, (MW)

Godišnja potrošnja energije, TJ/god

Kategorija

2000. 1995. 2000. 1995.

Stupanj

Iskorištenja

2000./1995.

Geotermalne toplinske pumpe 6.849 1.854 23.214 14.617 0,11 / 0,25 Grijanje prostora 4.954 2.579 59.696 38.230 0,38 / 0,47 Grijanje bazena 1.796 1.085 35.892 15.742 0,63 / 0,46 Grijanje staklenika 1.371 1.085 19.035 15.742 0,46 / 0,44 Industrijska upotreba + sušare 563 611 11.490 11.244 0,65 / 0,58 Akvakultura 525 1.097 10.757 13.493 0,65 / 0,39 Topljenje snijega i hla�enje* 108 115 968 1.124 0,29 / 0,25 Ostalo** 43 238 957 2.249 0,71 / 0,30 Ukupno 16.209 8.644 162.009 112.441 0,32 / 0,41

Ukupni protok geotermalne vode 2000. u instaliranim postrojenjima bio je približno 54.000 l/s što je u odnosu na 1995. porast od 51,2%. Ukupni instalirani toplinski kapacitet za izravnu upotrebu iznosio je 2000. 16.210 MWt (pove�anje od 87,1% u odnosu na 1995.)

Energetska potrošnja 2000. je iznosila oko 162.010 TJ/god. sa porastom od 44,1% u odnosu na 1995.

Mnogo je više podru�ja na svijetu s visokim geotemperaturnim gradijentom ali ipak nedovoljnim temperaturama za proizvodnju elektri�ne energije, no povoljnim za korištenje toplinske energije (tople vode). Kao malo poznatu �injenicu valja spomenuti i to da je radioaktivno zaga�enje okoliša geotermalnih elektrana, zbog emisije radionuklida iz podzemlja ve�e, nego je prilikom normalnog rada nuklearnih elektrana.

- 58 -

3.5. ENERGIJA IZ BIOMASE

Biomasa je gorivo koje se dobiva od biljaka ili dijelova biljaka kao što su drvo, slama, stabljike žitarica, ljušture itd.

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.

Danas se primjena biomase za proizvodnju energije poti�e uvažavaju�i na�elo održivog razvoja. Naj�eš�e se koristi drvna masa koja je nastala kao sporedni proizvod ili otpad te ostaci koji se ne mogu više iskoristiti. Takva se biomasa koristi kao gorivo u postrojenjima za proizvodnju elektri�ne i toplinske energije ili se prera�uje u plinovita i teku�a goriva za primjenu u vozilima i ku�anstvima. Postoje razne procjene potencijala i uloge biomase u globalnoj energetskoj politici u budu�nosti, no u svim se scenarijima predvi�a njezin zna�ajan porast i bitno važnija uloga.

3.5.1. DRVNA MASA

Osnovne su zna�ajke pri primjeni šumske ili drvne biomase kao energenta jednake kao kod svakog goriva:

• kemijski sastav • ogrjevna vrijednost (ogrjevnost) • temperatura samozapaljenja • temperatura izgaranja • fizikalna svojstva koja utje�u na ogrjevnost (npr. gusto�a, mokrina i dr).

Temeljna veli�ina za prora�un energije iz odre�ene koli�ine drva jest njegova ogrjevnost (ogrjevna vrijednost). Najve�i utjecaj na nju ima mokrina (vlažnost, udio vlage), potom kemijski sastav, gusto�a i zdravost drva. 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 sastojaka pri tome razli�it, a razli�ita je i tvar koja se može koristiti kao gorivo. Jedan od problema koji se pojavljuje pri odre�ivanju toplinske energije dobivene iz šumske biomase predstavlja pretvorba prostornih u kubi�ne metre.

- 59 -

3.5.2. NEDRVNA MASA

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. Op�enito, supstance koje �ine pepeo nemaju nikakvu energetsku vrijednost.

Osim ostale nedrvne biomase, osobitu bi važnost mogli imati ostaci žitarica. 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 prosje�ni odnos zrna i mase (tzv. žetveni omjer) 53% : 47%, proizlazi kako biomase približno ima koliko i zrna. Ako se razlu�e kukuruzovina 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%.

3.5.3. BIOPLIN

Bioplin (eng. biogas, njem. Biogas) nastaje procesom anaerobnog truljenja biomase i naj�eš�e se sastoji od oko 60% metana, 35% CO 2 te 5% smjese vodika, dušika, amonijaka, sumporovodika, CO, kisika i vodene pare. Dobiveni se bioplin naj�eš�e koristi za dobivanje toplinske i/ili elektri�ne energije izgaranjem u kotlovima, plinskim motorima ili turbinama.

Njegova su svojstva kao goriva u uskoj vezi s udjelom metana. Ogrjevna je vrijednost izravno proporcionalna koli�ini metana, a zbog uglji�nog dioksida manja je koli�ina zraka potrebnog za izgaranje. Ogrjevna vrijednost bioplina kre�e se od 25 do 26 MJ/m 3 normnom.

3.5.4. BIODIZEL

Metilni ester repi�inog ulja , poznatiji pod trgova�kim nazivom biodizel, dobiva se od ulja uljane repice ili recikliranog otpadnog jestivog ulja. Kemijski se opisuje kao monoalkoholni ester. Kroz proces esterifikacije, biljno ulje reagira s metanolom i natrijevim hidroksidom kao katalizatorom te nastaje ester masnih kiselina zajedno s ostalim nusproduktima: glicerolom, gliceridskim talogom i sapunom. Biodizel pripada skupini derivata srednje dugih, C 16 - C 18 lan�anih masnih kiselina. Te molekule pokazuju strukturnu sli�nost s molekulama mineralnog dizelskog goriva.

Biodizel je gorivo za motorna vozila koje se dobiva od repi�inog ulja ili drugih biljnih ulja esterifikacijom s metanolom. Pri tome nastaje gorivo koje ima svojstva jednaka onima klasi�nog dizela iz mineralnog ulja. Može se koristiti u potpunosti kao zamjena za mineralni dizel ili kao smjesa s njim u razli�itim omjerima. Visoka mazivost biodizela u usporedbi s mineralnim uzrokuje manje trošenje klipova, brtvenih prstenova, stijenki cilindara i preciznih dijelova crpke za ubrizgavanje. Pri primjeni ponajviše treba na umu imati sljede�a osnovna svojstva:

- 60 -

• biodizel se može primijeniti gotovo u svakom dizelskom motoru, pri �emu za sam pogon vozilo ne zahtijeva nikakve izmjene

• cijevi za gorivo i za povrat goriva iz crpke te brtve koje dolaze u dodir s gorivom treba zamijeniti materijalima prikladnima za biodizel kao što je fluor-kau�uk (trgova�ki naziv Viton), poznat i kao FPM-ECO-ECO, jer agensi u biodizelu, pogotovo pri povišenoj temperaturi, u roku od 6 do 10 mjeseci mogu uzrokovati propuštanje cijevi

• biodizel je agresivan prema laku za karoserije pa pri ulijevanju goriva treba odmah obrisati poškropljene površine

• ako se prethodno koristilo samo konvencionalno dizelsko gorivo, nakon prvih 1 do 2 punjenja spremnika biodizelom valja zamijeniti filtar za gorivo, zbog toga što biodizel može otopiti ne�isto�e zadržane u njemu

• u pojedinim slu�ajevima može do�i do razrje�ivanja motornog ulja i to kada je motor dulje vrijeme bio vožen samo s malim optere�enjem jer kao i kod konvencionalnog dizela, dolazi do prodora neizgorenog goriva u motorno ulje te slijedi razrje�ivanje, a tada treba skratiti rokove za izmjenu ulja koje proizvo�a� ina�e preporu�uje

• mogu�e je smanjenje snage motora za 3 do 5%, što povla�i i proporcionalni porast potrošnje goriva

• biodizel je bez aditiva zimi prikladan za primjenu na temperaturama ne nižima od -8 °C.

3.5.5. ALKOHOLNA GORIVA

Etanol se može proizvoditi od tri osnovne vrste biomase:

• še�era (od še�erne trske, melase) • škroba (od kukuruza) • 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 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.

Osnovne faze u procesu proizvodnje etanola su:

• priprema sirovine • fermentacija • 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.

- 61 -

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, dok preostala 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 smejse �ine oko 9% ukupne godišnje prodaje benzina i pretpostavlja se kako su ameri�ka vozila od 1979. godine do danas prešla približno 3 trilijuna km koriste�i etanolske smjese.

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.

Po mnogim su svojstvima etanol i metanol vrlo sli�ni benzinu. 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%. Sli�no kao etanol, metanol se može koristiti kao dodatak benzinu ili kao posebno gorivo. Zbog ponešto druk�ijeg na�ina izgaranja nego benzin mogu se pojaviti odre�ene poteško�e koje se rješavaju dodavanjem odre�enih dodataka.

Tablica 3-5-5. Usporedba svojstava alkoholnih goriva i benzina svojstvo etanol metanol benzin gusto�a, kg/m 3 789 793 720 - 750 ogrjevna vrijednost, MJ/kg 21,3 - 29,7 15,6 - 22,3 32,0 - 46,47 stehiometrijski omjer zraka i goriva, kg/kg 9,0 6,5 14,6 temperatura vrenja kod 1 bar, °C 7,5 65 30,23 stupanj viskoznosti - 0,58 0,6 oktanski broj 106 112 91 - 100

Ukupni godišnji energetski potencijal bioprodukcije na Zemlji, procjenjuje se da je 15-20 puta ve�i od ukupne godišnje potrošnje energije. Ukupan udio korištenja bioprodukcije (tradicionalna goriva: ogrijevno drvo, drveni ugljen, životinjski i biljni otpaci i komunalni otpad) za energetske potrebe u odnosu na korištenje bilan�nih energenata procjenjuje se na dodatnih oko 6,4 %. Iako se u principu sva bioprodukcija može spaljivati i pretvarati u elektri�nu energiju, njena široka primjena u proizvodnji elektri�ne energije ograni�ena je stoga što �esto nije konkurentna klasi�nim na�inima proizvodnje energije. Od siromašnih zemalja proizvo�a�a elektri�ne energije iz biomase valja spomenuti Brazil, Peru i �ile. Energetska sirovina je naj�eš�e celulozni otpad kod prerade še�erne trske i ogrjevno drvo. Mane tog na�ina proizvodnje energije su: potreba veoma velikih površina za rast biomase, potreba vode i utrošak plemenite energije (naftni derivati) za sakupljanje. Energetsko korištenje otpada pri proizvodnji hrane ponegdje (u ruralnim naseljima) ima ekonomsko opravdanje kao i korištenje bioplina nastalog od životinjskih otpadaka. Komunalni otpad u

- 62 -

razvijenim zemljama sve u�estalije se koristi za proizvodnju elektri�ne a i toplinske energije, prije svega zbog problema njegova odlaganja.

Najzna�ajniji su ogrijevno drvo i drveni ugljen. Osim biomase u energetske svrhe spaljuje se i komunalni otpad, što je najizraženije u Europi gdje je spaljeno 1995. više od 27 milijuna tona.

- 63 -

4. ZAKLJU�AK

Proizvodnja i primjena razli�itih oblika energije uvjetovala je velike promjene u prirodnoj sredini. Gotovo kao po pravilu, zahtjevi za izgradnju energetskih objekata odre�eni su problemi i uz više pozitivnih utjecaja na okolinu nose i velik broj negativnih. Pored svih svojih prednosti obnovljivi izvori energije imaju i svoja ograni�enja. Izgradnja hidroenergetskih postrojenja ima nekoliko važnih prednosti: smanjuje mogu�nost od poplava, stvara preduvijete za razvoj poljoprivrede na zemljištu uz regularni vodotok, omogu�uje ili poboljšava plovnost i vodeni transport, uspostavlja povoljni hidrološki minimum rijeke, stvara uvijete za opskrbu stanovinštva i industrije vodom, proizvodi elektri�nu energiju od besplatnoga – obnovljivog izvora, ne one�iš�uje zrak ni okolinu. Me�utim, hidroelektrane, posebno s velikim akumulacijama, imaju niz negativnih utjecaja na okolinu: narušavaju prirodni sklad rijeke i okoline, poreme�uju život u rijekama, raseljavanje stanovništva iz potopljenog podru�ja, mijenjaju mikroklimu, mijenjaju podzemne tijekove. Rastu�a potreba za energijom pri tome �esto preteže nad brigom o utjecajima na okoliš, a dimenzije nekih zahvata name�u dojam da je njihovo izvo�enje ne samo stvar energije nego i prestiža.

Slika 4-1. HE Three Gorges (Tri klisure) Kina, rijeka Yangtze, duga skoro 2 km, 175m visoka, 25-75 milijarde $, 20 god izgradnje, završetak 2009. god., jezero 640×1,6 km, snaga 26×700 MW, potopit �e se 160 gradova i 1500 sela (preko milijun ljudi)

Prednosti primjene solarne u proizvodnji elektri�ne energije iste su kao kod vjetra i hidroenergije. Primjena Sun�eve energije (fotonaponske �elije) u proizvodnji elektri�ne zanimljiva je na mjestima s malom potrošnjom koja su udaljena od elektrodistributivnih mreža (sateliti, svjetionici, izolirana planinska podru�ja, otoci, itd.), te kod malih potrošnih aparata kao zamjena za baterije. Nedostatci primjene solarne energije u proizvodnji elektri�ne energije. Niti jedan od danas korištenih oblika transformacije (elektrane sa solarnim tornjem, sa zakrivljenim zrcalima, sa fotonaponskim - silicijskim �elijama, sa solarnim dimnjakom...) nije se po nizu �inilaca (prvenstveno u cijeni) niti približio klasi�nim izvorima energije, te je stoga njihov udio u ukupnoj proizvodnji elektri�ne energije u svijetu trenutno još uvijek malen. Potreba za elektri�nom energijom i intenzitet Sun�eva zra�enja ne poklapaju se (zima-ljeto, no�-dan) stoga je potrebno uskladištavanje energije, što ih dodatno poskupljuje. Za transformaciju su, zbog male djelotvornosti, potrebne velike površine. Zbog malog broja sati rada (nestalnost insolacije) za istu proizvodnju energije kao u klasi�nim

- 64 -

elektranama potrebno je izgraditi objekte višestruko ve�e snage, što bitno utje�e na cijenu energije. Energija koja na Zemlju dolazi sa Sunca na tom putu nailazi na atmosferu na kojoj se djelomi�no reflektira i apsorbira, a ostatak dopire do površine Zemlje. Površina se zagrijava i zra�i u podru�ju infracrvenog zra�enja, ali i to zra�enje mora pro�i kroz atmosferu prije nego što napusti Zemlju. Neto emisija infracrvenog zra�enja uravnotežena je s primljenom energijom Sun�eve svjetlosti, pa je jasno da �e promjena prozirnosti Zemljine atmosfere za infracrveno zra�enje utjecati na temperaturu pri kojoj Zemlja emitira toplinu. Prozirnost atmosfere može se znatno promijeniti ve� malim primjesama molekula H2O, CO2, N2O, CH4, tako da �ovjek utjecajem na te primjese djeluje i na klimu.

Ako se uspiju smanjiti troškovi proizvodnje silicijskih (fotonaponskih) �elija i pove�ati djelotvornost pretvorbe u elektri�nu energiju, te ekonomi�no riješiti problem uskladištavanja energije, u budu�nosti bi taj na�in proizvodnje elektri�ne energije mogao biti konkurentan klasi�nim na�inima. Postoje i planovi (Sahara) korištenja solarne energije pretvorbom u elektri�nu za proizvodnju vodika. Za toplinske potrebe države bi trebale pomo�i korištenje sun�eve energije ili biomase tamo, gdje to može ekonomi�no zamijeniti korištenje na pr. elektri�ne energije ili nekih drugih kvalitetnijih goriva. Izgradnja objekata visoke toplinske izolacije i njihova orijentacija i smještaj u prostoru �initelji su kojima se treba poklanjati više pozornosti. Povezivanjem potroša�a u interesne grupe, država bi mogla pomo�i korištenje nekih obnovljivih energenata (geotermalne vode).

Prednosti primjene energije vjetra u proizvodnji el. energije - proizvodnja el. energije iz energije vjetra je proizvodnja pri kojoj nema polucije štetnih plinova kao ni globalnog zagrijavanja, što je osnovni doprinos vjetroelektrana u zaštiti okoliša. Nedostatci primjene energije vjetra u proizvodnji el. energije - u primarnoj i sekundarnoj regulaciji snage/frekvencije, agregati na vjetar ne mogu sudjelovati, pa �e ovu funkciju i dalje najbolje obavljati hidroelektrane. Promjenljivi režim rada vjetrogeneratora direkno utje�e na grešku sistema i traži dodatnu regulaciju snage. Nagli ulazak ili izlazak iz pogona ve�eg broja vjetrogeneratora izaziva neplanirane promjene tokova snaga, što je u Europi ve� uo�eno kao odre�eni problem. Tako�er, kao nedostatak mora se navesti �injenica da je nemogu�e vršiti planiranje proizvodnje, osim za vrlo kratke vremenske periode. U izradi godišnjih energetskih bilaci planiranje vjetroelektrana svodi se jedino na meteorološku statistiku. Pri radu VE nastaje buka koja može negativno utjecati na ljude i djelatnosti u neposrednoj blizini, što ovisi o samoj lokaciji za VE i ovisi o vrsti vjetroturbinskog generatora.

Elektromagnetske smetnje koje uzrokuju vjetroturbinski generatori mogu se izbije�i pravilnim smještanjem pojedinog stroja u odnosu na telekomunikacijske ure�aje, za što je potrebno prikupiti podatke o vrsti i položaju radio i TV odašilja�a, navigacijskih sustava i sli�nih ure�aja na potencijalnom podru�ju za smještanje vjetroelektrana. Vizualni utjecaj vjetroenergetskog postrojenja na okoliš ovisi o zna�ajkama postrojenja ( veli�ina, vrsta, broj i raspored strojeva ) te o osjetljivosti prostora odnosno o krajobraznoj strukturi. Kompjuterska vizualizacija vjetroelektrane pridonosi izboru prikladne lokacije te omogu�ava vizualno modeliranje vjetroelektrane s obzirom na broj i raspored strojeva na specifi�noj lokaciji.Rizik za pti�je vrste pri radu vjetroenergetskih postrojenja postoji, ali kako kazuju svjetska iskustva, nije ve�ih razmjera. Potrebno je u suradnji s s Državnom upravom za zaštitu prirode i okoliša i/ili drugim relevantnim ustanovama razmotriti ovaj aspekt vjetroenergetskog postrojenja te prikupiti podatke o zna�ajnim staništima i migracijskim putovima ptica, kao i prirediti odgovaraju�u bazu podataka.

- 65 -

Bez obzira na ove nedostatke treba nastaviti daljnja istraživanja, unapre�enje tehnologije i poticanje korištenja obnovljivih izvora osobito na lokacijama koje zadovoljavaju odre�ene kriterije posebno pogodne za korištenje obnovljivih izvora energije.

Primjena obnovljivih izvora energije za proizvodnju elektri�ne energije ekonomski je zanimljiva na mjestima s relativno malom potrošnjom elektri�ne energije udaljenim od elektroenergetskih mreža, gdje bi gradnja vodova zahtijevala znatna sredstva.

Samo mudra i savjesna upotreba znanstvenih i tehni�ko-tehnoloških rezultata u planiranju dugoro�nog razvoja energetike može pridonijeti napretku �ovje�anstva i o�uvanju prirodne okoline.

- 66 -

Kada se raspravlja o pojedinom izvoru energije bilo o fosilnim i nuklearnim energentima, bilo o obnovljivim izvorima mora se imati na umu slijede�e važne �imbenike:

- fizikalne mogu�nosti pridobivanja energije;

- tehni�ku izvodivost zamišljenog na�ina korištenja;

- gospodarstvenost pojedinog rješenja i

- društvenu prihvatljivost pojedinog energenta.

Nadalje za korisnike energije važan je odgovor na slijede�a pitanja važna za korištenje:

- koliki je energetski potencijal pojedinog izvora ?;

- koliki su troškovi njegova korištenja ?;

- koji i koliki su utjecaji na okolinu ?;

- kojim na�inom koristiti pojedini izvor ?

Dobra energetska politika u nekoj zemlji može se ostvariti ako postoji strategija razvitka energetike u �ijoj se uspostavi izme�u ostalog treba imati na umu:

- sigurnost opskrbe (pravi energent u pravo vrijeme na pravom mjestu);

- minimalizaciju troškova energenata;

- o�uvanje okoliša;

- u�inkovitost korištenja zbog gubitaka u energetskim transformacijama;

- znanje o tome koje energetske objekte graditi danas, što planirati za sutra (10-20 godina) i što poglavito istraživati za prekosutra (20-50 godina).

Uz to adekvatnom politikom države morao bi se izbje�i navija�ki pristup u odlu�ivanju o energentima koji može rezultirati samo velikim štetama (u podru�ju energetike prisutan je pristup u odlu�ivanju koji se ne bazira na objektivnim osnovama nego na mo�i pojedine energetske grupacije).

Svi energetski izvori imaju i negativan utjecaj na okoliš od kojih su najpoznatiji efekt staklenika, globalno zagrijavanje i zaga�enje zraka. Zabrinutost zbog tih utjecaja i sigurnosti opskrbe energijom dovela je do pove�anog zanimanja i ulaganja u razvoj obnovljivih energetskih izvora poput sun�eve, geotermalne, vodika, energije vjetra i energije valova.

- 67 -

4. LITERATURA

[1.] LABUDOVI�, B. (2002): Obnovljivi Izvori Energije, EnergetikaMarketing, Zagreb

[2.] JOZSA, L. (2005.): Energetski procesi i elektrane, skripta ETF OSIJEK

[3.] M.PETRI�EC, N.ŠIMUNDI�.- Hidroenergetski potencijal i problemi daljnjeg razvoja

korištenja vodnih snaga, Hrvatske vode, 1 (1993), 13-16.

[4.] Program izgradnje malih hidroelektrana, Energetski institut "Hrvoje Požar", Zagreb,

travanj 1998. (H.Baši�)

[5.] http:// energetika-net.hr