0

Dr Božo Ilić

ENERGIJA I ENERGETSKA EFIKASNOST

Visoka tehnička škola strukovnih studija

Novi Sad, 2019 god.

1

SADRŢAJ

1. ENERGIJA ................................................................................... 4

1.1 Oblici energije ....................................................................... 4

1.2 Energetika.............................................................................. 5

1.3 Elektroenergetika .................................................................. 5

1.4 Potrebe čovečanstva za energijom ........................................ 6

2. NEOBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE ....................................... 9

2.1 Ugalj ...................................................................................... 9

2.2 Nafta .................................................................................... 10

2.3 Prirodni gas ......................................................................... 10

2.4 Nuklearna energija .............................................................. 11

3. OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE .......................................... 13

3.1 Energija vodotokova (hidroenergija) .................................. 17

3.2 Energija vetra ...................................................................... 20

3.3 Energija sunca (solarna energija) ........................................ 24

3.4 Geotermalna energija .......................................................... 32

3.5 Energija okeana ................................................................... 38

3.6 Gorivne ćelije ...................................................................... 39

3.7 Biomasa ............................................................................... 41

3.7.1 Prednosti korišćenja energije biomase ............................ 45

3.7.2 Nedostaci korišćenja energije biomase............................ 48

3.7.3 Korišćenje energije biomase ............................................ 48

3.7.3.1 Termičko-hemijska konverzija biomase ................................................................ 49

3.7.3.2 Mehanička konverzija biomase ............................................................................. 52

2

Pitanja na koja treba obratiti posebnu pažnju!

1. Kako se definiše energija?

2. Koja je jedinica za energiju?

3. O čemu govori zakon o odrţanju energije?

4. Šta je rad?

5. Šta predstavlja snaga?

6. Na koje načine se moţe smanjiti potrošnja električne energije?

7. U kojim oblicima se moţe pojaviti energija?

8. Čime se bavi energetika?

9. Koji su zadaci energetike?

10. Čime se bavi elektroenergetika?

11. Zbog čega je električna energija trenutno najvaţniji oblik energije?

12. Kojim izvorima energije trenutno svet pokriva svoje energetske potrebe?

13. Koja su dva osnovna problema kod neobnovljivih izvora energije?

14. Zbog čega su fosilna goriva vrlo štetna za okolinu?

15. Zbog čega su nukleran goriva opasna za ţivotnu sredinu?

16. Da li su obnovljivi izvori energije potpuno čisti?

17. Zašto se biomasa ne smatra potpuno čistim obnovljivim izvorom energije?

18. Zbog čega je došlo do globalnog porasta temperature na Zemlji?

19. Objasniti šta znači pojačani efekat staklene bašte?

20. Koje su posledice globalnog zagrevanja?

21. Šta je opšti trend u svetu, da bi se zaustavile ili bar ublaţile navedene negativne pojave

koje uzrokuje korišćenje neobnovlijvih izvora energije i omogućio održivi razvoj?

22. Na koja dva načina se u svetu teţi ka smanjenju potrošnje neobnovljivih izvora energije

(fosilnih goriva)?

23. Šta je odrţivi razvoj?

24. Šta znači energetska efikasnost?

25. Šta se podrazumeva pod štednjom energije?

26. Čemu sve doprinosi korišćenje obnovljivih izvora energije i poboljšanje energetske

efikasnosti?

27. Koji su neobnovljivi izvori energije?

28. Šta spada u fosilna goriva?

29. Kako su nastala fosilna goriva?

30. Zašto je sa ekološkog stanovišta ugalj najopasniji za okolinu?

31. Zašto je ugalj prljav izvor energije?

32. Kako nastaju kisele kiše?

33. Šta se postiţe korišćenjem tehnologija za prečišćavanje uglja?

34. Na koje načine nafta negativno utiče na ţivotnu sredinu?

35. Zašto se prirodni gas smatra idealnim fosilnim gorivom?

36. Šta je to tečni prirodni gas?

37. Da li je tečni prirodni gas zapaljiv?

38. Kojim postupcima se dobija nuklerana energija?

39. Šta je fisija?

40. Šta je fuzija?

41. Šta je glavni problem kod nuklearnih elektrana?

3

42. Kako se dele izvori energije u prirodi s obzirom na mogućnost obnavljanja?

43. Šta su to obnovljivi izvori energije?

Koji su obnovljivi izvori energije?

44. Šta je otpad?

45. Šta je komunalni čvrsti otpad?

46. Šta je kogeneracija?

47. Koje se efekti potiţu kogeneracijom?

48. Zašto je energija vodotokova (hidroenergija) najčešće korišćeni obnovljivi izvor energije

za proizvodnju električne energije?

49. Koje su prednosti hidroelektrana?

50. Koji su nedostaci velikih hidroelektrana?

51. Kako se računa neto snaga male hidroelektrane?

52. Šta je vetar?

53. Kako se ranije, a kako danas koristi energija vetra?

54. Koje su dobre strane korišćenja energije vetra?

55. Koje su loše strane korišćenja energije vetra?

56. Koja zemlja je lider u proizvodnji električne energije iz energije vetra?

57. Šta su to ofshore elektrane na vetar?

58. Od čega potiče Sunčeva energija?

59. Koji su osnovni principi direktnog korišćenja energije Sunca?

60. U kom obliku se sunčeva energija širi kroz svemir, pa jedan mali deo dolazi do Zemlje?

61. Koji postoje načini korišćenja solarne energije?

62. Koja su dva osnovna tipa solarnih elektrana?

63. Šta su hibridni solarni sistemi?

64. Koji faktori utiču na intenzitet solarnog zračenja, a time i na efikasnost fotonaponskih

panela?

65. Kako nastaje geotermalna energija?

66. Koji su osnovni načini korišćenja geotermalne energije?

67. Šta je biomasa?

68. Iz čega se dobija biomasa?

69. Koje su prednosti korišćenja energije biomase?

70. Koji su nedostaci korišćenja energije biomase?

71. Na koje načine se moţe koristiti energija biomase?

4

1. ENERGIJA

Energija je fizička veličina koja se definiše kao sposobnost sistema da izvrši odreĎeni rad.

Prema meĎunarodnom sistemu mernih jedinica merna jedinica za energiju je dţul J. Ponekad se

kao merna jedinica za energiju koristi i vat-čas Wh. Za količinu proizvedene odnosno utrošene

električne energije uobičajeno se koriste veće merne jedinice od vat-časa Wh, kao što su kilovat-

čas kWh, megavat-čas MWh i gigavat-čas GWh.

Prema zakonu o održanju energije, energija ne moţe ni nastati ni nestati, energija samo

moţe prelaziti iz jednog oblika u drugi. Energije se ne stvara niti uništava. Količina energije u

nekom zatvorenom sistemu je uvek konstantna. Gubitak energije predstavlja deo energije koji se

pretvara u neiskoristivu energiju.

Prelazak energije iz jednog oblika u drugi ili prenos energije, sa jednog tela na drugo

naziva se rad. Prema meĎunarodnom sistemu mernih jedinica rad i energija imaju istu jedinicu

dţul J ili njutn-metar Nm.

Snaga predstavlja brzinu prelaska energije iz jednog oblika u drugi, odnosno izvršeni rad u

jedinici vremena. Prema meĎunarodnom sistemu mernih jedinica, merna jedinica za snagu je vat

W.

U svakom domaćinstvu postoje ureĎaji koji za svoj rad koriste električnu energiju. Na kraju

meseca elektrodistribucija ispostavlja račune za utrošenu električnu energiju. Ukoliko znamo

snagu ureĎaja koje koristimo i ako izmerimo vreme njihovog rada moţemo da procenimo koliko

smo energije potrošili. Jasno je da, što je veća snaga ureĎaja i što ga duţe koristimo, više energije

smo potrošili. Na računima za utrošenu električnu energiju, ona je izraţena u kWh.

Pošto je iz napred izloţenog jasno da je utrošena električna energija direktno

proporcionalna snazi električnog ureĎaja i vremenu njegovog korišćenja, da bi smanjili potrošnju

energije u domaćinstvu treba se truditi da smanjimo ili jedan ili drugi faktor. Pri ovome je takoĎe

veoma vaţna efikasnost ureĎaja. Podsetimo se neverovatno male efikasnosti sijalice sa uţarenom

niti koja od 60 W snage u svetlost konvertuje samo 5 W dok ostatak predstavlja toplotne gubitke.

Dakle, zamena takvih sijalica energetski efikasnijim dovodi do značajnog smanjenja utrošene

električne energije.

1.1 OBLICI ENERGIJE

Energija se moţe pojaviti u nekoliko različitih oblika, i to kao:

- potencijalna energija, koja je posledica poloţaja koji objekat ima u odnosu na druge

objekte;

- kinetička energija, koja je posledica kretanja tela;

- toplotna energija, koja je posledica zagrejanosti tela;

- hemijska energija, koja je posledica hemijskih veza izmeĎu supstanci objekta;

- nuklearna energija, koja je posledica nestabilnosti atomskih jezgara objekta;

- električna energija, koja je posledica kretanja naelektrisanih čestica kroz provodnik;

- elektromagnetna energija, koja je posledica elektromagnetnog zračenja, koje moţe biti

svetlost, radio talasi itd.

Nabrojani oblici energije kao i svi ostali koji nisu spomenuti, mogu da prelaze iz jednog

oblika u druge i da se koriste za vršenje rada, slika 1.3., meĎutim uvek je ukupna količina

energije konstantna odnosno odrţana.

5

Slika 1.3. Prelasci energije iz jednog oblika u drugi

1.2 ENERGETIKA

Energetika je oblast privrede koja se bavi proizvodnjom, prenosom i distribucijom

energenata i energije. Energetika se bavi proizvodnjom i transportom čvrstih, tečnih i gasovitih

energenata kao i električnom i nuklearnom energijom.

Neki oblici energije se dobijaju iz fosilnih goriva (uglja, nafte, gasa) i drugih neobnovljivih

izvora energije (nuklearne energije), dok se drugi dobijaju iz obnovljivih izvora energije (energije

vodotokova, energije vetra, energije Sunca, geotermalne energije itd.). Energija se troši najviše u

oblasti transporta, grejanja, osvetljenja i u tehnološkim procesima.

Jedan od zadataka energetike je ekonomična proizvodnja i smanjenje gubitaka energije,

efikasna distribucija do potrošača i izbor optimalnog načina transporta. Pored ovoga značajan

zadatak je i smanjenje negativnih uticaja na ţivotnu sredinu. Ovde se prvenstveno misli na

smanjenje emisije gasova koji su uzrok efekta staklene bašte (ugljen-dioksida), ali i ostalih

štetnih čestica koje nastaju tokom procesa proizvodnje energije (sumpornih i azotnih oksida,

pepela, čaĎi itd.).

1.3 ELEKTROENERGETIKA

Elektroenergetika je oblast elektrotehnike koja se bavi proizvodnjom, prenosom i

distribucijom električne energije, kao i električnim ureĎajima priključenim na takve sisteme, kao

što su: generatori, elektromotori, transformatori i ureĎaji energetske elektronike.

Iako je veći deo ove oblasti usmeren na trofazne naizmenične sisteme, koji su standard za

prenos i distribuciju, značajan deo oblasti bavi se konverzijom jednosmerne u naizmeničnu struju

6

i obrnuto, kao i razvojem specijalnih sistema koji se koriste u avionima i elektrifikovanoj

ţeleznici.

Elektriĉna energija neosporno je trenutno najvaţniji oblik energije koji koristi

čovečanstvo, jer se relativno jednostavno transportuje i što je najvaţnije, jednostavno se moţe

pretvoriti u ostale korisne oblike energije poput kinetičke i toplotne energije.

Električna energija se trenutno najvećim delom proizvodi iz fosilnih goriva i to uglavnom

iz uglja. Pošto fosilna goriva imaju negativne posledice na okolinu i nisu neiscrpna, sve se više

koriste obnovljivi izvori energije za proizvodnju električne energije, kao što su:

energija vodotokova,

energija vetra,

energija Sunca,

geotermalna energija itd.

1.4 POTREBE ČOVEČANSTVA ZA ENERGIJOM

Preokupacije savremene civilizacije su da obezbedi dovoljno hrane za sve veći broj

stanovnika, dovoljno sirovina za savremenu industrijsku proizvodnju i dovoljno jeftine i

kvalitetne energije. Pomanjkanje bilo hrane, sirovina ili energije dovelo bi do ozbiljnih

poremećaja u savremenoj privredi i društvu.

Nedostatak energije imao bi katastrofalne posledice, jer bi celokupna savremena tehnika

bila paralisana, a proizvodnja manuelnim putem bila bi isuviše skromna da obezbedi dovoljno

dobara potrebnih za zadovoljenje sadašnjeg nivoa društvenih potreba. Znači, obezbeĎenje

dovoljnih količina energije jedan je od ključnih uslova za opstanak i razvoj naše civilizacije.

Trenutno svet pokriva svoje energetske potrebe uglavnom neobnovljivim izvorima

energije:

fosilnim gorivima (ugljem, naftom i prirodnim gasom) i

nuklearnim gorivima (uranijum, torijum i dr.).

Dva osnovna problema kod neobnovljivih izvora energije su:

da ih ima u ograničenim količinama i

da su štetni za okolinu.

Kao što i samo ime kaţe, neobnovljivi izvori energije nisu obnovljivi, a to znači da ne

mogu trajati večno, te će u odreĎenom trenutku biti potrošeni.

Fosilna goriva su vrlo štetna za okolinu, jer prilikom sagorevanja:

emituju u atmosferu velike količine ugljen-dioksid CO2 i druge gasove koji pojačavaju

efekat staklene bašte (npr. metan CH4).zbog čega je došlo do globalnog porasta

temperature na Zemlji.

- emituju u atmosferu velike količine gasova (ugljen monoksida, sumpor dioksida,

azotnih oksida), dima, pepela, prašine i drugih čestica koje zagaĎuju ţivotnu sredinu.

Emisija CO2 iz fosilnih goriva će biti povezana sa sve većim brojem budućih javnih

zdravstvenih rizika.

Nuklearna goriva nisu opasna za atmosferu, ali supstance nastale kod nuklearne reakcije

ostaju radioaktivne još godinama i moraju biti uskladištene u posebnim prostorijama. Znači,

fisijom nuklearnih goriva nastaju opasni radioaktivni materijali.

7

Obnovljivi izvori energije ne zagaĎuju okolinu u tolikoj meri kao neobnovljivi, ali nisu ni

oni svi potpuno čisti. To se naročito odnosi na energiju dobijenu iz biomase, kao i fosilna goriva,

prilikom sagorevanja ispušta CO2, pepeo i druge nečistoće, mada prilikom rasta apsorbuje CO2,

te se u tom pogledu smatra neutralnom.

Trenutno je najizraţeniji negativni efekat fosilnih goriva - globalno zagrevanje, moţda

najveći izazov s kojim se čovečanstvo srelo u svojoj istoriji. U 20 veku temperatura na Zemlji je

porasla za oko 1,1°C, a nivo mora je porastao za 20 cm. Očekuje se da će do 2100 godine

temperatura na Zemlji porasti za oko 5°C, ako se dosadašnjim intenzitetom nastavi emisija

gasova koji pojačavaju efekat staklene bašte.

Globalno zagrevanje je rezultat preterane upotrebe fosilnih goriva (uz naftu tu su zemni gas

i ugalj) koja prilikom sagorevanja ispuštaju štetni ugljen-dioksid. Taj ugljen-dioksid odlazi u

atmosferu i glavni je krivac za trend povećana prosečnih temperatura na Zemlji i klimatskih

promena koje su posledica globalnog zagrevanja.

U današnje vreme izraz globalno zagrevanje se uobičajeno koristi da označi zagrevanje

površine Zemlje koje je uzrokovano pojačanim efektom staklene bašte. Pojačani efekat staklene

bašte, je posledica povećane koncentracije gasova sa efektom staklene bašte u višim slojevima

atmosfere, koja dovodi do povećanja količine zračenja koje ne moţe od površine Zemlje da bude

emitovano u svemir, već ga atmosfera upija, usled čega dolazi do porasta temperature niţih

slojeva atmosfere i zagrevanja Zemljine površine, slika 1.

Slika 1. Efekat staklene bašte

Posledice globalnog zagrevanja su:

- ţivi svet na Zemlji je sve ugroţeniji, sve više izumiru razne biljne i ţivotinjske vrste;

- poremećaji u lancima ishrane;

- podizanje nivoa mora i okeana zbog topljenja lednjaka i glečera;

- sve češća pojava oluja, poplava i suša;

- uticaj na poljoprivredu itd.

Rešenje problema globalnog zagrevanja se moţe ostvariti smanjenjem emisije gasova sa

efektom staklene bašte, što se postiţe smanjenjem upotrebe fosilnih goriva. Кjoto protokolom sve

zemlje u svetu se obavezuju da smanje emisiju gasova sa efektom staklene bašte.

Da bi se zaustavile ili bar ublaţile navedene negativne pojave koje uzrokuje korišćenje

neobnovlijvih izvora energije i omogućio održivi razvoj, opšti trend u svetu je teţnja ka

smanjenju potrošnje neobnovljivih izvora energije (fosilnih goriva) i to na dva načina:

- korišćenjem obnovljivih izvora energije umesto neobnovljivih i

- poboljšanjem energetske efikasnosti.

8

U ovom trenutku jedino kombinacija smanjenja potrošnje energije (povećanjem energetske

efikasnosti) uz korišćenje obnovljivih izvora energije omogućava dalji razvoj energetike uz

istovremeno očuvanje ţivotne sredine.

Održivi razvoj je razvoj koji zadovoljava potrebe sadašnjice, pri čemu se ne ugroţava

sposobnost budućih generacija da zadovolje svoje potrebe.

Aktuelnosti pojma odrţivog razvoja posebno doprinose izazovi koji dolaze sa ugroţenošću

ţivotne sredine. Neki od tih izazova su:

- globalno zagrevanje,

- oštećenja ozonskog omotača,

- efekat staklene bašte,

- nestanak šuma,

- pretvaranje plodnog zemljišta u pustinje,

- pojava kiselih kiša,

- izumiranje ţivotinjskih i biljnih vrsta.

Zbog navedenog su se drţave EU, i mnoge druge drţave, opredelile da u svoje strategije

energetskog razvoja i zaštite ţivotne sredine ugrade planove za poboljšanje efikasnosti korišćenja

energije i da uspostave zakonodavni okvir u kojem će ti planovi biti ostvareni. Za EU zgrade

postaju posebno vaţan sektor koji moţe doprineti ispunjavanju obaveza smanjenja gasova sa

efektom staklene bašte prema Kjoto protokolu.

Energetska efikasnost znači upotrijebiti manju količinu energije (energenata) za obavljanje

istog posla odnosno funkcije (grejanje ili hlaĎenje prostora, osvetljenje, proizvodnja raznih

proizvoda, pogon vozila itd.). Vaţno je istaći da se energetska efikasnost nikako ne sme

posmatrati kao štednja energije, jer štednja uvek podrazumeva odreĎena odricanja, dok efikasna

upotreba energije nikada ne narušava uslove rada i ţivota. Naprotiv poboljšana efikasnost

upotrebe energije rezultira njenom smanjenom potrošnjom za istu količinu proizvoda ili usluge,

što na kraju donosi novčane uštede. Mere za poboljšanje energetske efikasnosti se mogu

realizovati kako u oblasti proizvodnje (na strani proizvoĎača) tako i u oblasti potrošnje energije

(na strani korisnika). Pod merama energetske efikasnosti podrazumevaju se mere koje se

preduzimaju u cilju smanjenja potrošnje i gubitaka energije.

Кorišćenje obnovljivih izvora energije i poboljšanje energetske efikasnosti doprinosi:

smanjunju emisija gasova koji pojačavaju efekat staklene bašte (pre svega CO2 i

metana), što doprinosi smanjenju globalnog zagrijavanja;

smanjenju uvoza fosilnih goriva;

otvaranju novih radnih mesta (navedena tri efekta se nazivaju efekat “3E”- ekologija,

energetika, ekonomija);

- energetskoj nezavisnosti, jer se smanjuje zavisnost od uvoza energetskih sirovina i

električne energije;

razvoju lokalne industrije;

- povećava se energetska odrţivost sistema;

- pojavljuju se novi proizvodni programi i usluge;

- stvaraju se mogućnosti za upotrebu različitih izvora energije;

efikasnijem korišćenju sopstvenih potencijala u proizvodnji energije itd.

9

2. NEOBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE

Neobnovljivi izvori energije su:

fosilna goriva, su:

ugalj,

nafta,

prirodni (zemni) gas,

uljani škriljci i

nuklearna goriva (energija)

Ugalj, nafta i prirodni gas se nazivaju fosilnim gorivima. Samo ime fosilna goriva govori o

njihovom nastanku. Pre mnogo miliona godina ostaci biljaka i ţivotinja počeli su se taloţiti u

podnoţjima okeana ili na tlu. Vremenom su te ostatke prekrivali slojevi blata, mulja i peska. U

tim uslovima razvijale su se ogromne temperature i veliki pritisci, što su idealni uslovi za

pretvaranje ostataka biljaka i ţivotinja u fosilna goriva.

2.1 UGALJ

Gledano sa ekološkog aspekta, ugalj je najopasniji izvor energije za okolinu, jer u

atmosferu uz ugljen-dioksid ispušta sumpor i neke druge supstance. Sumpor se u atmosferi spaja

s vodenom parom i gradi sumpornu kiselinu, koja pada na zemlju u obliku kiselih kiša.

Ugalj je, kao i svi fosilni izvori energije, najvećim delom izgraĎen od ugljenika i vodonika.

Kad ugalj sagoreva ugljenik se meša sa kiseonikom iz vazduha i na taj način formira ugljen-

dioksid. Ugljen-dioksid je gas bez boje i mirisa, a u atmosferi je jedan od gasova sa efektom

staklene bašte. Većina naučnika veruje da je globalno povećanje temperature uzrokovano upravo

otpuštanjem ugljen-dioksida u atmosferu.

Unutar uglja zarobljene su i neke nečistoće, kao na primer sumpor, ţelezo i azot, kojih ima

manje. Kada ugalj sagoreva, te nečistoće otpuštaju se u atmosferu. U atmosferi se te čestice

spajaju sa parom (na primer u oblacima) i formiraju kapljice koje padaju na zemlju kao slabe

sumporne i azotne kiseline - kisele kiše.

Unutar uglja postoje još i sitne čestice minerala. Te čestice ne sagorevaju i stvaraju pepeo

koji ostaje nakon sagorevanja. Jedan deo tih čestica biva uhvaćen u vrtlog gasova i, zajedno sa

parom, formira dim koji dolazi iz elektrana na ugalj.

Na osnovu svega navedenog čini se da je ugalj vrlo prljav izvor energije. Pre mnogo godina

je bio prljav, ali u zadnjih 20 godina naučnici su pronašli načine da uhvate veliki deo nečistoća

pre nego što odu u atmosferu. Danas postoje tehnologije koje mogu prečistiti 99% sitnih čestica i

ukloniti 95% nečistoća koje prouzrokuju kisele kiše. TakoĎe, postoje tehnologije efikasnijeg

sagorevanja uglja, koje smanjuju emisiju ugljen-dioksida u atmosferu.

Kao primer prečišćavanja uglja moţe se uzeti eliminacija sumpora. Količina sumpora u

uglju puno zavisi od nalazišta. U nekim nalazištima ima oko 10% sumpora u uglju, a postoje i

nalazišta sa manje od 1% sumpora. Jedna od metoda za prečišćavanje uglja je usitnjavanje i

jednostavno ispiranje. Na taj način se ne moţe ukloniti sav sumpor, jer je jedan deo atoma

sumpora ukomponiran sa ugljenikom. Taj deo se moţe ukloniti, ali trenutne tehnologije su

preskupe za masovnu primenu. Zbog toga u svim modernim elektranama na ugalj postoje ureĎaji

koji uklanjaju sumpor iz gasova nakon sagorevanja, pre nego što odu u atmosferu. Usprkos svim

postupcima prečišćavanja, jedan deo nečistoća izlazi u atmosferu i uništava prirodu.

Od svih fosilnih goriva uglja ima najviše, a ima i najduţu istoriju upotrebe. Dve najvaţnije

upotrebe uglja su proizvodnja čelika i električne energije. Ugalj daje oko 23% ukupne primarne

10

energije u svetu. 38% proizvedene električne energije u svetu dobija se od uglja. Za oko 70%

proizvodnje čelika u svetu potreban je ugalj kao ključni sastojak. U parnim mašina koristio se

ugalj za proizvodnju pare. 1880. godine ugalj je prvi put upotrebljen za proizvodnju električne

energije.

Moţe se reći da od 100% raspoloţive energije goriva koja se troši u termoelektranama

samo 20 do 25% stiţe kao električna energija ispred potrošača. Sagledavajući sve procese i

gubitke pri proizvodnji električne energije, skupu opremu, odrţavanje, uloţeni rad i sl., očigledno

je da nema logike tu električnu energiju na kraju trošiti za grejanje prostorija da bi se odrţavala

temperatura vazduha od 20°C.

Prilikom sagorevanju fosilnih goriva u termoelektranama emituje se ogromna količina CO2

koji je glavni uzročnik pojačanja efekta staklene bašte, odnosno klimatskih promena. A ukoliko

nema instaliranih dopunskih filtara (i oni su skupi), vrši se i lokalno zagaĎenje ţivotne sredine sa

SO2, NOx i drugim otrovnim materijama.

2.2 NAFTA

Nafta je izvor zaista raznovrsnih produkata i derivata i jedan je od najvaţnijih energenata

modernog industrijskog sveta. Nafta ima višestruku primenu, koristi se ne samo za dobijanje

pogonskog goriva za razna prevozna i transportna sredstva, već i u proizvodnji plastike, asfalta,

za dobijanje petroleja, te raznih drugih industrijski upotrebljivih derivata.

Najveća negativna posledica upotrebe nafte je već navedeno globalno zagrevanje koje je

ekološki problem broj jedan modernog sveta.

Prilikom sagorevanja naftnih derivata oslobaĎaju se velike količine ugljen-dioksida u

atmosferu. Ugljen-dioksid je gas sa efektom staklene bašte i njegovim ispuštanjem u atmosferu

utiče se na povećanje globalne temperature na zemlji.

Osim globalnog zagrevanja veliki problem predstavljaju i izlivi tankera s naftom koji

stvaraju velike ekološke probleme u okeanima, zagaĎuju okeane i uništavaju biljni i ţivotinjski

svet koji tu ţivi.

Usprkos svim poboljšanjima tehnologija bušenja i transporta, još uvek se dogaĎaju izlivi

nafte u mora, a to rezultira gotovo potpunim uništenjem biljnog i ţivotinjskog sveta u tom delu

mora. Iako je zagaĎenje mora isticanjem sirove nafte veliko, ono je u poreĎenju sa zagaĎenjem

vazduha korišćenjem naftnih derivata zanemarljivo.

Da bi smanjile zavisnost od uvoza nafte, većina drţava ima takozvane strateške zalihe koje

osiguravaju nezavisnost od uvoza na nekoliko meseci. Te zalihe pomaţu i kod naglih povećanja

cene nafte za amortizaciju.

2.3 PRIRODNI GAS

Prirodni gas se sastoji od metana, koji se sastoji od jednog atoma ugljenika i četiri atoma

vodonika (CH4). Metan je visoko zapaljiv i sagoreva gotovo potpuno. Nakon sagorevanja ne

ostaje pepeo, a zagaĎenje vazduha je vrlo malo.

Prirodni gas nema boje, ukusa, mirisa ni oblika u svojoj prirodnoj formi, pa je prema tome

ljudima neprimetan. Zbog toga mu kompanije dodaju hemikaliju koja ima miris pokvarenog

jajeta. Taj miris omogućava ljudima laku detekciju ispuštanja gasa u kući.

U mnogo slučajeva prirodni gas je idealno fosilno gorivo, jer je prilično čist, jednostavan

za transport i komforan za upotrebu. Čistiji je od nafte i uglja, pa se sve više spominje i kao

rešenje za postojeće klimatske promene i probleme sa lošim kvalitetom vazduha. Za razliku od

nafte i uglja, prirodni gas ima veći odnos vodonik/ugljenik i ima manju emisiju ugljen-dioksida u

atmosferu za istu količinu energije.

11

Rusija prednjači u zalihama, a slede je drţave srednjeg istoka. Za sada su zemlje srednjeg

istoka više koncentrisane na proizvodnju nafte pa je proizvodnja gasa kod njih mala.

Teĉni gas prirodni gas LNG (Liquefied Natural Gas) je prirodni gas pod visokim

pritiskom i rashlaĎen na vrlo niske temperature tako da poprima tečno agregatno stanje.

Kada se prirodni gas rashladi na -161oC postaje bistra tečnost bez boje, ukusa i mirisa.

Pošto LNG zauzima samo 1/600 deo zapremine prirodnog gasa u gasovitom stanju, to

stanje je pogodno za transport u tankerima po celom svetu. Tankeri (brodovi) koji prevoze LNG-

a moraju imati dvostruku oplatu i specijalno su dizajnirani da podnose niske temperature LNG-a.

LNG sam po sebi nije zapaljiv i izjave u smislu „LNG tankeri su ploveće bombe“ nisu tačne,

pošto LNG nije zapaljiv ne moţe ni eksplodirati. Dokaz za to su mnogi incidenti koji su se

dogodili (znatna isticanja LNG-a, oštećenja nastala vremenskim neprilikama, sudari na moru), a

da još nikad nije eksplodirao tanker s celim svojim sadrţajem.

2.4 NUKLEARNA ENERGIJA

Nuklearna energija je energija koja se dobija postupcima:

nuklearne fuzije i

nuklearne fisije.

Nuklearna fuzija je spajanje dva ili više lakih atomskih u jedan teţi atom uz oslobaĎanje

odreĎene količine energije u obliku raznih zračenja. Energija Sunca posledica je neprestane

nuklearne fuzije koja se odvija u njegovom jezgru i u obliku zračenja širi u svemir, pa tako jedan

mali deo tog zračenja dolazi i do zemlje. Sunce koristi nuklearnu fuziju atoma vodonika u atome

helija. To daje toplotu, svetlost i ostale radijacije koje izlaze iz Sunca.

Nuklearna fisija je takoĎe oslobaĎanje odreĎene količine energije u obliku raznih

zračenja, ali dobija se cepanjem teških atomskih jezgara na dva ili više lakših atoma. Nuklearna

fisija je dovoljno jednostavan proces koji se široko koristi u nuklearnim reaktorima za

proizvodnju električne energije.

Nuklearna energija je energija koja se oslobaĎa ili cepanjem (raspadom) jednog teţeg

atomskog jezgra na dva lakša atoma ili spajanjem dva lakša atomska jezgra u jedan teţi

atom. Kod oba postupka uvek je masa pre reakcije veća od mase nakon reakcije, a razlika u

masama pretvorena je u energiju po Ajnštajnovoj formuli:

E = m·c2

gde je:

E - osloboĎena energija

m - masa

c - brzina svetlosti

To znači da je osloboĎena energija jednaka razlici masa pomnoţenoj s kvadratom brzine

svetlosti.

Nuklearna energija se dobija usled procesa u kojima se deo mase jezgara pretvara u

energiju. Nuklearna energija se zatim koristi za dobijanje toplotne i električne energije u

elektranama, ili se pak oslobaĎa u eksplozijama bombi.

Nuklearne elektrane ne ispuštaju ugljen-dioksid, ali nakon upotrebe nuklearno gorivo je

izuzetno radioaktivno i potrebno ga je uskladištiti više desetina godina (najradioaktivnije i više

stotina godina) u sigurnim betonskim bazenima ili podzemnim bunkerima.

12

U normalnim uslovima nuklearna energija je vrlo čisti izvor energije, ali potencijalne

opasnosti od neke havarije sve više smanjuje broj novoinstalisanih nuklearnih elektrana.

Nuklearna energija se trenutno sve više spominje kao prihvatljivi izvor energije, jer ne

proizvodi nikakve gasove sa efektom staklene bašte i time ne zagreva planetu, kao ostali

neobnovljivi izvori energije.

Trenutno iz nuklearne energije se dobija oko 16% ukupno proizvedene električne energije

u svetu. Naglo korišćenje nuklearne energije moţe se zahvaliti njezinoj čistoći i gotovo nikakvim

ispuštanjem gasova sa efektom staklene bašte. Dobro konstruisane nuklearne elektrane pokazale

su se pouzdanim, sigurnim, ekonomski prihvatljivim i ekološki dobroćudnim.

Glavni problem kod nuklearnih elektrana je ostatak iskorišćenog goriva koji je visoko-

radioaktivni otpad i mora se uskladištiti u specijalnim bazenima (voda hladi nuklearno gorivo i

ponaša se kao štit od radijacije) ili u suvim kontejnerima. Starije i manje radioaktivno gorivo

skladišti se u suvim skladištima, gde se zatvara u specijalne betonske armirane kontejnere.

Kao i svi procesi proizvodnje energije iz neobnovljivih izvora i nuklearne elektrane

proizvode otpad. Kod njih je to radioaktivni otpad i vruća voda. Pošto nuklearne elektrane ne

proizvode ugljen-dioksid, njihovom upotrebom se ne povećava efekat staklene bašte.

Radioaktivni otpad deli se na dve osnovne kategorije: nisko-radioaktivni i visoko-radioaktivni

otpad. Većina nuklearnog otpada je nisko-radioaktivni otpad, to su: obično smeće, alati, zaštitna

odela i ostalo. Taj se otpad kontaminirao sa malim nivoom radioaktivnog praha ili čestica, a mora

se čuvati na način da ne doĎe u kontakt sa predmetima spolja.

Iako su nuklearne elektrane bezazlene za okolinu ukoliko se sve radi po pravilima, velika

pretnja okolini je mogućnost katastrofe prilikom nepravilnog korišćenja. Do sad su se prilikom

mirnodopskog korišćenja nuklearne energije desile tri velike havarije: Černobilj, Otok Tri Milje i

Fukošima.

Nuklearna elektrana je vrsta termoelektrane koja kao izvor energije koristi toplotu

dobijenu fisijama nuklearnog goriva u nuklearnom reaktoru. Kao i u većini ostalih

termoelektrana, dobijena toplota se koristi za proizvodnju pare koja pokreće parnu turbinu

spojenu na električni generator.

Nuklearne elektrane kao gorivo koriste izotop urana U-235 koji je vrlo pogodan za fisiju. U

prirodi se moţe naći uran sa više od 99% U-238 i svega oko 0,7% U-235. U nuklearnim

reaktorima se taj proces dogaĎa celo vreme u strogo kontrolisanim uslovima (osim nekoliko

trenutaka u Černobilju).

Iako urana u prirodi ima relativno puno (sto puta više od srebra) izotopa U-235 ima malo.

Zbog toga se provodi postupak obogaćivanja urana. U konačnoj upotrebljivoj fazi, nuklearno

gorivo je u obliku tableta dugih oko 2,5 cm. Jedna takva tableta moţe dati otprilike istu količinu

energije kao i jedna tona uglja.

Energija koja se oslobaĎa sudaranjem neutrona sa uranom koristi se za zagrevanje vode. Ta

voda (para) tada pokreće generator, a nakon toga treba je rashladiti i ponovo vratiti u reaktor. Za

to je potreban stalan i veliki protok vode oko jezgre reaktora.

Atomska bomba rezultat je namerno izazvane prevelike koncentracije slobodnih neutrona

koji se tada sudaraju sa fisijski osetljivim atomima i na taj način ostvaruju nekontrolisanu

eksploziju energije.

Istraţivanja mogućeg korišćenja nuklearne fuzije na zemlji su još u početnoj fazi u obliku

meĎunarodnog ITER projekta, ali za sad nema naznaka da bi se nuklearna fuzija mogla u skorijoj

budućnosti koristiti na zemlji. Cilj projekta ITER je da demonstrira naučnu i tehničku

izvodljivost korišćenja energije fuzije za proizvodnju električne energije i sakupljanje podataka

potrebnih za konstruisanje prve komercijalne fuzijske elektrane.

13

3. OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE

S obzirom na mogućnost obnavljanja izvori energije u prirodi se dele na:

- neobnovljive izvore energije,

- obnovljive izvore energije i

- otpad (komunalni (gradski) čvrsti otpad, komercijalni otpad, industrijski otpad).

Obnovljivi izvori energije su izvori energije koji se nalaze u prirodi i obnavljaju se u celosti

ili delimično, to su:

- energija vodotokova (hidroenergija),

- energija vetra,

- solarna energija (energija Sunca),

- geotermalna energija,

- energija okeana (energija morskih struja i talasa, energija plime i oseke),

- vodonik (gorivne ćelije),

- biomasa, iz koje se moţe dobiti:

čvrsto gorivo,

tečno biogorivo (bioetanol, biometanol, biodizel),

gasovito biogorivo (biogas, sintetički gas),

- deponijski gas,

- gas iz postrojenja za prečišćavanje kanalizacionih i otpadnih voda iz prehrambene i

drvno-preraĎivačke industrije koje ne sadrţe opasne materije itd.

Otpad je svaka materija ili predmet sadrţan u listi kategorija otpada (Q lista) koji vlasnik

odbacuje, namerava da odbaci ili je duţan da odbaci.

Komunalni (gradski) čvrsti otpad je otpad iz domaćinstava (kućni otpad), kao i drugi otpad

koji je zbog svoje prirode ili sastava sličan otpadu iz domaćinstava.

Status povlašćenog proizvoĎača električne energije se uspostavlja da bi se poboljšao

poloţaj na trţištu za odreĎene vrste elektrana, čija je izgradnja od strateškog interesa za Srbiju, a

čiji rad, bez posebnih podsticajnih mera, ne bi bio isplatljiv. Prema Zakonu o energetici to su

prvenstveno elektrane koje:

- koriste obnovljive izvore energije,

- koriste neopasan otpad ili

- istovremeno proizvode električnu i toplotnu energiju i time štede primarnu energiju u

odnosu na proizvodnju istih količina električne energije u odvojenim procesima, ako

postiţu propisanu energetsku efikasnost.

U Srbiji je veoma niska energetska efikasnost i nije adekvatno rešeno pitanje grejanja.

Gradnjom postrojenja za kogeneraciju – postrojenja za kombinovanu proizvodnju električne i

toplotne energije, adekvatno bi se rešavalo pitanje grejanja, povećala bi se proizvodnja električne

energije, a smanjila njena upotreba za grejanje i povećala ukupna energetska efikasnost zemlje.

Pravno lice ili preduzetnik moţe steći status povlašćenog proizvoĎača za:

14

- Elektrane koje u procesu proizvodnje koriste biomasu ili biomasu u kombinaciji sa

nekim dopunskim fosilnim gorivom ili otpadom, ukoliko energetska vrednost

korišćene biomase na godišnjem nivou čini najmanje 80% ukupne primarne energije;

- Elektrane koje električnu energiju proizvode koristeći otpad ili otpad u kombinaciji sa

nekim fosilnim gorivom ili obnovljivim izvorom energije, ukoliko energetska

vrednost korišćenog otpada na godišnjem nivou čini najmanje 80% ukupne primarne

energije;

- Elektrane koje koriste separisanu biorazgradljivu frakciju komunalnog otpada

instalirane snage do 10 MW.

Elektrane na biogas su elektrane koje koriste gas nastao iz ostataka u poljoprivredi (čvrsti i

tečni stajnjak (stajsko Ďubrivo) sa stočarskih i ţivinarskih farmi), iz biomase, iz ostataka biomase

nastalih primarnom preradom poljoprivrednih proizvoda, a koje ne sadrţe opasne materije,

ostatke i delove ţivotinja.

Elektrane na deponijski gas su elektrane koje koriste gas nastao na komunalnim

deponijama ili gas nastao u postrojenjima za prečišćavanje kanalizacionih i otpadnih voda iz

prehrambene i drvno-preraĎivačke industrije koje ne sadrţe opasne materije.

Obnovljivi izvori energije ne zagaĎuju okolinu u tolikoj meri kao neobnovljivi, ali nisu ni

oni svi potpuno čisti. To se posebno odnosi na energiju dobijenu iz biomase koja, kao i fosilna

goriva, prilikom sagorevanja ispušta CO2.

Postoji mnogo razloga zbog kojih su fosilna goriva i dalje dominantni izvori energije u

većini drţava širom sveta. Jedan od glavnih razloga je to što su to tradicionalni izvori energije s

dugom istorijom, a s time dolaze i vrlo jaki lobiji koji su se s vremenom okupili oko fosilnih

resursa. Ovi lobiji su s vremenom postali toliko jaki da mogu znatno uticati na političku volju

drţava i uticati na političare da im daju podršku. Drugi jak razlog za korišćenje fosilnih goriva je

njihova početna cena, cena ovakve energije je inicijalno vrlo niska pa se drţave u razvoju češće

odlučuju na fosilna goriva da bi osigurale jači ekonomski polet. Kina i Indija u zadnje vreme

doţivljavaju snaţan ekonomski procvat koji se s energetske strane zasniva uglavnom na uglju

koji je najjeftinije gorivo. Početna cena fosilnih goriva je niska (nema velikih ulaganja), ali

vremenom se fosilna goriva toliko odomaće da je bilo kakva promena izuzetno teška, a i uvek se

čini da je prelazak na bilo šta drugo nepotrebno skupa opcija. Treći veliki razlog popularnosti

fosilnih goriva je i slaba tehnološka podrška sektoru obnovljivih izvora energije. Ovo je svakako

jedan od glavnih razloga zašto se obnovljivi izvori energije teško probijaju. Sredstva koja su

usmerena u obnovljive izvore energije su izuzetno mala u odnosu na sredstva koja se izdvajaju za

kupovinu, transport, rafinisanje i distribuciju fosilnih goriva, a bez dobre finansijske podrške u

današnjem svetu nemoguće je postići neki veliki rezultat.

Mnogo energetskih stručnjaka veruje da cene fosilnih goriva moraju znatno porasti pre

nego se počne ozbiljno razmišljati o alternativnim izvorima energije. Na primer, za naftu se

smatra da mora biti iznad 100 $ za barel da bi se počele razmatrati alternative na globalnom

nivou, jer je to granica na kojoj obnovljivi izvori energije postaju ekonomski konkurentni nafti.

Ono što je zaista potrebno obnovljivim izvorima energije jeste da postanu ekonomski

konkurenti fosilnim gorivima, jer će se u tom slučaju privreda znatno više okrenuti prema čistoj

energiji. Ekonomska konkurentnost obnovljivih izvora je još uvek vrlo daleko u budućnosti, osim

ako se iznenada ne počnu slivati znatna sredstva u ovaj sektor.

Jedina stvar koja ozbiljno preti sektoru fosilnih goriva i mogla bi pokrenuti korišćenje

čistih izvora energije su klimatske promene. Naučnici celo vreme upozoravaju svetske voĎe da bi

se što pre moralo početi delovati prema smanjenju ispuštanja gasova sa efektom staklene bašte i

korišćenju fosilnih goriva, jer se procenjuje da su te emisije glavni razlog globalnog zagrevanja.

Iako političari vole puno pričati o čistoj energiji, još uvek nema velikih pomaka u izbacivanju

15

fosilnih goriva iz upotrebe. Čistoća obnovljivih izvora energije je glavni argument zagovornika

takvih izvora energije, a energetska nezavisnost je druga najvaţnija stvar. Poznato je da se većina

potvrĎenih rezervi nafte nalazi u politički vrlo nestabilnom delu sveta, pa bi uvek trebalo imati

neku energetsku alternativu. Jedan od pokušaja postizanja energetske nezavisnosti je i projekat

Evropske unije kojim se na području Sahare ţeli izgraditi puno solarnih elektrana koje bi imale

dvostruku ulogu: proizvedena električna energija transportovala bi se energetskim vodovima

prema Evropi, a dodatno bi se radila desalinizacija vode koja je vrlo vaţan resurs u pustinjskim

područjima. Projekt se zove Desertec, trebao bi trajati do 2050., a prvih 20 GW instaliranih

kapaciteta očekuju se već do 2020 godine.

Čak i ako se svet odluči za drastično smanjenje emisija ugljen-dioksida i potpiše se novi

klimatski ugovor/protokol (novi Kyoto protokol) to neće značiti da se više neće koristiti fosilna

goriva. To će jedino značiti da se veća vaţnost daje obnovljivim izvorima energije i da će se

postepeno pokušati istisnuti fosilna goriva, ali to je postupak koji će trajati izuzetno dugo.

Naravno, prilikom tog postupka javiće se jak otpor iz sektora fosilnih goriva, jer ipak se tu obrću

bilijarde dolara koje bi trebale preći iz naftnih lobija u sektor obnovljivih izvora energije.

Trenutno u prilog naftnim lobijima ide činjenica da oni imaju novac i da oni odlučuju šta će se

raditi u smislu energetskih projekata u budućnosti. Trenutna situacija im najviše odgovara, jer se

celo vreme u njihovom smeru sliva ogromna količina novaca, pa im se baš i ne ţuri sa

promenama.

Za razliku od neobnovljivih izvora energije, koji su iscrpljivi i sa stalno rastućom

potrošnjom energije vremenom postaju sve manji, obnovljivi izvori energije su stalni i sa

potrošnjom se ne iscrpljuju, već se stalno obnavljaju.

Vodeni mlinovi i vetrenjače koje su koristili naši preci proizvodili su mehaničku energiju iz

obnovljivog izvora energije. Oko 1.200 godine u Evropi su se pojavile vetrenjače koje su se

koristile za mlevenje brašna i pumpanje vode, za odvajanje zrnevlja od stabljika, u pilanama itd.

Moderne verzije tih naprava danas pretvaraju vodu ili vetar u električnu energiju. Evropska

proizvodnja električne energije iz energije vetra, koja je ostvarila znatan napredak u zadnjih

nekoliko godina, danas je na nivou potreba za električnom energijom u Danskoj i MaĎarskoj

zajedno.

Ogromna većina energije dobijene iz obnovljivih resursa odnosi se na energiju vodotokova

i energiju biomase. Ostali obnovljivi izvori energije su trenutno energetski zanemarivi. Pošto će

se u budućnosti sve energetske potrebe morati podmirivati iz obnovljivih izvora energije, moraće

se izmisliti neki ekonomičan način na koji će se obnovljivi izvori energije pretvarati u korisnu

energiju. Glavno ograničenje u tome su skupa i dugotrajna istraţivanja, a većina primena svodi se

na proizvodnju električne energije. Cenu istraţivanja povećava i raznolikost obnovljivih izvora

energije.

Sunčeva energija je izvorni oblik većine obnovljivih izvora energije (vetra, biomase, vode),

dok nekoliko izvora, kao što su geotermalna energija i energija plime i oseke ne potiču od nje

(prva od energije osloboĎene raspadom radioaktivnih elemenata u Zemlji, a druga izazvana

dejstvom gravitacionog polja Meseca).

Iako su potencijali obnovljivih izvora energije ogromni (samo Sunce isporučuje Zemlji oko

15 hiljada puta više energije nego što čovečanstvo danas troši), trenutni tehnološki razvoj ne

dopušta oslanjanje samo na njih. Većina energije dobijene iz obnovljivih izvora odnosi se na

energiju vodotokova, dok je učešće ostalih obnovljivih izvora energije danas relativno malo, slika

3.1.

16

Slika 3.1. Struktura potrošnje obnovljivih izvora energije u svetu (stanje 2005. godine)

MeĎutim, njihov udeo u budućnosti biće znatno veći, jer neobnovljivih izvora energije ima

sve manje, a i njihov štetni uticaj na ţivotnu sredinu i klimu je sve izraţeniji. Sa razvojem

tehnologije očekuje se da će obnovljivi izvori energije postati ekonomski konkurentni

konvencionalnim izvorima energije. Nekoliko tehnologija, posebno onih za korišćenje energije

vetra, biomase i sunčevog zračenja, već postaju ekonomski sve konkurentnije. Proces prihvatanja

novih tehnologija je relativno spor zbog još uvek visoke početne cene, ali veliki značaj u primeni

energije iz obnovljivih izvora imaju njihova ekološka prihvatljivost i podsticanje izgradnje

postrojenja za proizvodnju "čiste" energije iz njih.

Većina investicija, iz domena obnovljivih izvora energije, troše manje materijala i rada

prilikom njihove izgradnje kao i manje investicije prilikom njihovog odrţavanja. Pošto se

postojeće rezerve fosilnih goriva stalno smanjuju, nedvosmisleno je da će njihove cene i dalje

rasti, što daje prostora za razvoj primene obnovljivih izvora energije. Uvoz fosilnih goriva

predstavlja sve veće opterećenje za nacionalne ekonomije. Primenom mera koje nude tehnologije

energetske efikasnosti i lokalni sistemi obnovljivih izvora energije, koriste se lokalni resursi.

Kada novac, ostaje na lokalnom nivou to stvara umnoţavajući efekat. Proizvodnjom i

razvijanjem tehnologija, moguće je podstaći izvoz, pruţajući podsticaj trgovinskom suficitu.

Tehnologije obnovljivih izvora energije su čiste, imaju mnogo manji uticaj na okolinu od

konvencionalnih energetskih tehnologija. Obnovljivi izvori energije nikada neće nestati. Ostali

izvori energije su konačni i jednog dana će biti potrošeni.

Postoji mnogo drţava koje daju dobar primer korišćenja potencijala obnovljivih izvora

energije. Prema tome, tehnologije postoje, jedino su u ovom trenutku poprilično skupe pa su

potrebna velika ulaganja. S vremenom se očekuje da će sve te tehnologije napredovati u smislu

efikasnosti i smanjenja cene, pa će samim time postati mnogo atraktivnije i samim time

raširenije.

Sa tehničko-tehnološkim razvojem u 20 veku, jedan od najvećih pratećih zahteva bila je

konstantna potreba za povećanjem proizvodnje električne energije. U današnjem svetu gotovo je

nemoguće zamisliti neki proizvod za čiju proizvodnju nije bilo potrebno korišćenje električne

energije. Povećana potreba za električnom energijom uslovila je razvoj tehnologija za

proizvodnju električne energije, pa tako danas postoje pet tipova elektrana: hidroelektrane,

termoelektrane, solarne elektrane, vetroelektrane i geotermalne elektrane.

Kako je krajem 20 veka sve više ojačavala svest o zagaĎenju planete i njenim efektima,

počelo se razmišljati i o prihvatljivim i manje prihvatljivim načinima proizvodnje električne

17

energije. Sve ono što u proizvodnom procesu podrazumeva emisiju ugljen-dioksida i ostalih

gasova sa efektom staklene bašte smatra se nepoţeljnim u ekološkom smislu.

Tako su termoelektrane u kojima sagoreva ugalj i naftni derivati postale nepoţeljne, iako

treba reći da se u mnogim zemljama u razvoju upravo ove vrste elektrana još uvek najviše koriste

i čak i danas izgraĎuju nove.

Termoelektrane na zemni gas i biomasu su nešto prihvatljivije od termoelektrana na ugalj i

naftne derivate, jer je kod njih emisija gasova staklene bašte manja, a u slučaju biomase izvor

energije je obnovljiv.

Nuklearne elektrane koje takoĎe spadaju u termoelektrane su sa stanovišta emisije gasova

staklene bašte ekološki prihvatljive.

Pojedini obnovljivi izvori energije, su sasvim novi, a neki se koriste već duţe vremena.

Neki od ovih izvora omogućavaju profitabilnu proizvodnju električne ili toplotne energije, dok

su pojedini još uvek u fazi razvoja, pa se njihova komercijalna primena tek očekuje.

Zajednička karakteristika svih tehnologija korišćenja obnovljivih izvora energije su

relativno visok stepen početne investicije, ali i njihova kasnija niska operativna cena. Sa druge

strane, prava cena konvencionalnih elektrana obično nije pravilno izračunata, kao

ni predstavljena na pravilan način. Treba napomenuti da i dalje postoje brojne drţavne subvencije

za tehnologije prerade i korišćenja nafte, nuklearne elektrane, termoelektrane, kao i prateće

tehnologije. MeĎutim, kako obnovljivi izvori energije imaju znatno niţu operativnu cenu u

poreĎenju sa konvencionalnim izvorima energije, ukupna cena energije povoljnija je na osnovu

analize tehnoloških ciklusa, a posebno sa ekološkog aspekta. Naime, vaţan aspekt obnovljivih

izvora energije predstavlja njihov neznatan uticaj na ţivotnu sredinu, te su sa tog aspekta mnogi

od njih ekonomski konkurentni konvencionalnim tehnologijama proizvodnje energije. Ovaj

aspekt je veoma vaţan pri razmatranju energetske situacije u Srbiji, gde termoelektrane

dominiraju u energetskoj proizvodnji. U poreĎenju sa ostalim tehnologijama proizvodnje

električne energije, industrije bazirane na obnovljivim izvorima energije beleţe najveći privredni

rast poslednjih desetak godina.

Nekoliko tehnologija, posebno za korišćenje energija vetra, energije malih vodotokova,

energija biomase i sunčeve energija, su ekonomski konkurentne. Ostale tehnologije zavise od

potraţnje na trţištu da bi postale ekonomski isplatljive u odnosu na klasične izvore energije.

Proces prihvatanja novih tehnologija vrlo je spor i uvek izgleda kao da nam izmiče za samo

malo. Glavni problem za instaliranje novih postrojenja je početna cena. To diţe cenu dobijene

energije u prvih nekoliko godina na nivo potpune neisplatljivosti u odnosu na ostale komercijalno

dostupne izvore energije.

3.1 ENERGIJA VODOTOKOVA (HIDROENERGIJA)

Energija vodotokova (hidroenergija) predstavlja najčešće korišćeni obnovljivi izvor

energije za proizvodnju električne energije, jer je proizvodnja električne energije iz energije

vodotokova ekonomski konkurentna proizvodnji električne energije iz fosilnih i nuklearnog

goriva.

Ne moţe se koristiti svuda, jer podrazumeva obilje brzo tekuće vode, a poţeljno je i da je

ima dovoljno cele godine, jer se električna energija ne moţe jeftino uskladištiti. Da bi se poništio

uticaj oscilacije protoka vode na rekama se grade ogromne brane i stvaraju akumulaciona jezera.

To znatno diţe cenu cele elektrane, a i diţe se nivo podzemnih voda u okolini akumulacije. Nivo

podzemnih voda ima dosta uticaja na biljni i ţivotinjski svet, pa prema tome hidroenergija nije

sasvim bezopasna za okolinu, jer se menja biološka slika okoline. Veliki problem kod

akumuliranja vode je i zaštita od potresa, a u zadnje vreme i zaštita od terorističkih napada.

18

Procenjuje se da je iskorišćeno oko 25% svetskog hidroenergetskog potencijala. Većina

neiskorišćenog potencijala nalazi se u nerazvijenim zemljama, što je povoljno jer se u njima

očekuje znatan porast potrošnje energije. Najveći projekti, planirani ili započeti, odnose se na

Kinu, Indiju, Maleziju, Vijetnam, Brazil i Peru. Rastuća potreba za energijom pri tome često

preteţe nad brigom o uticajima na okolinu, a dimenzije nekih zahvata nameću utisak da je

njihovo izvoĎenje ne samo stvar energije nego i prestiţa.

Hidroelektrane su elektroenergetski objekti koji sluţe za pretvaranje energije vodotokova u

električnu energiju. Hidroelektrane se grade tako što se tok reke pregradi jednom betonskom

pregradom koja se zove brana. Ispred brane se uradi jedno proširenje, tj. napravi akumulaciono

jezero. U jezeru se akumulira odnosno sakuplja voda i nivo vode u jezeru je viši od nivoa vode u

reci. Samim tim je potencijalna energija vode u jezeru veća. Кada se cevovod otvori voda iz

stanja mirovanja prelazi u stanje kretanja, odnosno potencijalna energija vode se pretvara u

kinetičku energiju vode, koja se kroz cevovod odvodi na turbinu gde udara u lopatice rotora

turbine i okreće ga. U turbini se kinetička energija vode pretvara u mehaničku. Pošto su rotor

turbine i rotor generatora na istom vratilu, obrtanje rotora turbine automatski izaziva i obrtanje

rotora generatora. U generatoru se mehanička energija pretvara u električnu energiju. Znači,

transformacija energije u hidroelektrani se odvija na sledeći način: Potencijalna energija vode u

akumulacionom jezeru - Кinetička energija vode u cevovodu - Mehanička energija u turbini -

Električna energija u generatoru.

Prednosti hidroelektrana su:

Кoriste energiju vodotokova koja je besplatna.

Troškovi investicije u izgradnju hidroelektrane se povrate u periodu do desetak

godina.

Proizvodnjom električne energije u hidroelektrani ne emituju se gasovi koji zagaĎuju

ţivotnu sredinu i pojačavaju efekat staklene bašte (pre svega ugljen dioksid), jer se za

rad HE ne koriste fosilna goriva.

Postoje tri osnovne vrste hidroelektrana:

protočne (male HE),

akumulacione (velike HE)i

reverzibilne (velike HE).

Protočne hidroelektrane nemaju uzvodnu akumulaciju ili se njihova akumulacija moţe

isprazniti za manje od dva sata rada pri nazivnoj snazi. To znači da se skoro direktno koristi

kinetička energije vode za pokretanje turbina. Takve hidroelektrane je najjednostavnije izgraditi,

ali su vrlo zavisne od trenutnog protoka vode.

Akumulacione hidroelektrane su najčešći način proizvodnje električne energije iz energije

vodotokova. Da bi se poništio uticaj oscilacije protoka vode na rekama se grade ogromne brane i

stvaraju akumulaciona jezera. To znatno diţe cenu cele elektrane, a i podiţe se nivo podzemnih

voda u okolini akumulacije. Postoje dve izvedbe akumulacionih hidroelektrana:

pribranske, kod njih se mašinska zgrada nalazi ispod same brane i

derivacione, kod njih se mašinska zgrada nalazi puno niţe od brane i cevovodima je

spojena na akumulaciju.

Akumulaciona jezera hidroelektrana mogu privlačiti turiste, te se na njihovoj površini

mogu odvijati razni vodeni sportovi. TakoĎe velike brane mogu igrati značajnu ulogu u

navodnjavanju, te u regulaciji toka reka.

19

Glavni delovi takve elektrane su akumulacija, brana, zahvat, gravitacioni dovod, vodna

komora, zasunska komora, cevovod, mašinska sala i odvod vode.

Akumulacione hidroelektrane su najčešći način dobijanja električne energije iz energije

vode. Problemi nastaju u letnjim mesecima kada prirodni dotok postane premali za

funkcionisanje elektrane. U tom slučaju se brana mora zatvoriti i potrebno je odrţavati bar nivo

vode koji je biološki minimum. Veliki problem je i podizanje nivoa podzemnih voda.

Nedostaci akumulacioni (velikih) hidroelektrana su:

Prilikom punjenja hidro akumulacionog jezera dolazi do potapanja velikih površina i

podiţu se nivoi podzemnih voda što dosta utiče na čitav biljni i ţivotinjski svet i

menja se biološka slika okoline. Dodatni probelem je što brane presecaju prirodnu

tokove vode, a time i puteve kretanja riba. Ţivotinje toga područja su primorane na

preseljenje, kao i ljudi. Pri tome se uništavaju privredna, kulturna i prirodna dobra.

Veliki problem kod akumuliranja vode je što rušenje brane (usled zemljotresa,

terorističkih napada i sl.) moţe dovesti do velikih katastrofa.

Prilikom truljenja i raspadanja biljnih ostataka pod vodom dolazi do stvaranja gasova

koji pojačavaju efekat efeklene bašte (pre svega ugljen dioksida CO2 i metana).

Reka svojim tokom nosi pesk i mulj koji se vremenom taloţi u akumulacionom jezeru

usled čega se smanjuje njegova dubina i jezero gubi svoju funkciju.

Potrošnja električne energije zavisi od doba dana, dana u sedmici, godišnjeg doba itd. U

ponedeljak je špica potrošnje, vrlo velika potrošnja je i svim ostalim radnim danima. Vikendom

obično pada potrošnja električne energije. Za popunjavanje dnevnih špica potrošnje grade se

reverzibilne hidroelektrane. Ove hidroelektrane slične su derivacionim, ali protok vode je u oba

smera kroz derivacioni kanal. Kad je potrošnja energije mala voda se pumpa iz donjeg jezera u

gornju akumulaciju. To se obično radi noću, jer je tada potrošnja energije najmanja. Danju se

prebacuje na proizvodnju električne energije i tada se prazni gornja akumulacija. To nije baš

energetski najbolje rešenje, ali je bolje nego napraviti još nekoliko termoelektrana za pokrivanje

dnevnih špica potrošnje.

Osnovni delovi malih hidroelektrana su: brana, zahvat, cevovod, mašinska zgrada i odvod,

slika 1.

Slika 1. Osnovni delovi male HE

Brana, sluţi za skretanje vode sa njenog prirodnog toka prema zahvatu hidroelektrane i da

povisi nivo i uspori protok vode.

20

Zahvat, sluţi da vodu koja je akumulirana u jezeru uvede u cevovod.

Cevovod, sluţi da vodu pod pritiskom odvede na turbinu.

Mašinska zgrada, je najčešće derivaciona i sluţi za smeštaj: turbine, generatora,

transformatora, regulacije turbine, automatska regulacija i prenosne, merne i druge električne

opreme potrebne za rad male HE.

Turbina sa generatorom i drugom mašinskom i elektro opremom čini agregat male

hidroelektrane. Turbina sluţi za pretvaranje kinetičke energije vode u mehaničku energiju

rotirajućih delova turbine. Pošto pojedini tipovi turbina efikasno rade samo unutar granica

odreĎenih protoka i padova vode, pri izboru pogodne turbine o tome se mora voditi računa.

Generator, sluţi za pretvaranje mehaničke energije u električnu.

Regulacija turbine, je sistem za prilagoĎavanje proizvedene snage promenljivom protoku

vode, a time i za odrţavanje frekvencije u sistemu.

Elektro orman za paralelan rad male hidroelektrane sa elektrodistributivnom mreţom.

Elektro orman treba ima sve zaštite koje su predviĎene za rad u elektrodistributivnoj mreţi.

Sistem upravljanja malom hidroelektranom je sa programiranim automatom (PLC) i

sadrţi sve informacije za nivo kontrole koji obezbeĎuje siguran rad, visoki nivo efikasnosti i

pouzdanost hidroagregata.

Odvod, sluţi da vodu sa turbine odvede u rečno korito.

Neto snaga male hidroelektrane (instalisana električna snaga generatora), je ustvari

električna snaga koja se dobija na priključcima generatora. Pošto mala hidroelektrana pretvara

kinetičku energiju vode (koja teče zbog postojanja visinske razlike) u električnu energiju, neto

snaga male hidroelektrane je proporcionalna raspoloţivom srednjem zapreminskom protoku vode

Qsrr i neto padu vode Hn:

Pg=9,81·Qsrr·Hn·ηt· ηg =9,81· Qsrr·Hn·η kW

gde je:

9,81 – gravitaciono ubrzanje, m/s2

Qsrr – raspoloţivi srednji zapreminski protok vode, m3/s

Hn – neto pad vode, m

ηt – stepen iskorišćenja turbine, %

ηg – stepen iskorišćenja generatora, %

η=ηt· ηg – stepen iskorišćenja male hidroelektrane, %,

3.2 ENERGIJA VETRA

Skoro sva obnovljiva energija dolazi od sunca. Sunce neravnomerno zagreva različite

delove Zemlje i to rezultira različitim pritiscima vazduha. Vetar je horizontalno strujanje

vazdušnih masa nastalo usled razlika temperatura, odnosno nastalo usled razlike pritisaka

vazduha, zbog teţnje za njihovim izjednačavanjem. Znači, vetar je posledica Sunčevog zračenja,

tj. energija vetra je transformisani oblik sunčeve energije, a na njegove karakteristike u velikoj

meri utiču i geografski faktori. Oko 1 do 2% energije koja dolazi od sunca pretvara se u energiju

vetra. Postoje delovi Zemlje na kojima duvaju takozvani stalni (planetarni) vetrovi i na tim

područjima je korišćenje energije vetra najisplatljivije. Dobre pozicije su obale okeana i pučina

mora. Pučina se ističe kao najbolja pozicija zbog stalnosti vetrova, ali cene instalacije i transporta

energije koče takvu eksploataciju.

21

Energetska pitanja, posebno pitanja o obnovljivim izvorima energije postala su od vitalnog

značaja, ne samo zbog lošeg ekološkog stanja i rastućih cena sirove nafte, nego i zbog uvek

rastućih potreba za energijom. Svi ovi negativni trendovi prisiljavaju čovečanstvo da

tradicionalna fosilna goriva zamene ekološki prihvatljivijim alternativama. Iako su fosilna goriva

(nafta, ugalj i prirodni gas) trenutno dominantna, stvari počinju ići nabolje zbog toga jer sve više

drţava počinje priznavati problem s fosilnim gorivima i polako usmeravaju svoju paţnju u razvoj

obnovljivih izvora energije. Jedan od obnovljivih izvora energije koji najviše obećava je svakako

energija vetra koju je moguće iskoristiti za generisanje električne energije. Sektor korišćenja

energije vetra postaje jedan od najbrţe rastućih sektora korišćenja obnovljivih izvora energije, ne

samo u Evropskoj uniji i SAD-u, nego i širom sveta. Istraţivački projekti na polju korišćenja

energije vetra su sve intenzivniji i celo vreme se pronalaze nove tehnike za efikasnijе pretvaranje

energije vetra u električnu energiju. Sva ta istraţivanja podstaknuta su sve ozbiljnijim pristupom

vlada širom sveta u vidu smanjenja energetske zavisnosti i preraspodele izvora energije u više

grana koje mogu funkcionisati nezavisno, a obnovljivi izvori energije su idealni za ostvarenje te

politike.

Vetar kao obnovljivi izvor energije počinje da se pominje još oko 600. god. p.n.e. u Persiji.

Prve persijske vetrenjače su imale vertikalnu osovinu i 6-12 jedara pokrivenih trskom ili platnom.

Oko 1.200 godine pojavljuju se i u Evropi, koristile su se za mlevenje brašna i pumpanje vode, za

odvajanje zrnevlja od stabljika, u pilanama itd. Kasnije, vetrenjače evropske konstrukcije

uglavnom koriste horizontalnu osovinu. Upotreba direktnih mehaničkih vetrenjača u Evropi je

skoro potpuno prestala zbog korišćenja parnih mašina, a kasnije, i električnih motora i motora sa

unutrašnjim sagorevanjem. Krajem 19. veka počinje upotreba vetrenjača i za proizvodnju

električne energije (vetroelektrana), ali tek u poslednje vreme u većim količinama.

Korišćenje energije vetra ima dugu istoriju, ali je moderno korišćenje energije vetra za

dobijanje električne energije ozbiljnije započelo tek u kasnim sedamdesetim i u osamdesetim

godinama prošlog veka. Od tada je industrija korišćenja energije vetra imala stalan rast kroz

dvadesetak godina, a trenutno ovaj segment obnovljivih izvora energije ima rast od oko 20-30%

godišnje na svetskom nivou. Stručnjaci predviĎaju još snaţniji rast ovog sektora u godinama koje

dolaze, posebno ako se uzmu u obzir velike investicije koje su u toku ili tek započinju. Ovaj rast

rezultat je činjenice da je energija vetra najekonomičniji obnovljivi izvor energije nakon

hidroenergije, a ta ekonomičnost rezultat je intenzivnih istraţivanja koja su unapredila postupak

proizvodnje i smanjila cenu električne energije dobijene iz vetra.

Kod pretvaranja kinetičke energije vetra u mehaničku energiju (okretanje osovine

generatora) koristi se samo razlika brzine vetra na ulazu i na izlazu. Vetrogeneratori počinju da

proizvode električnu energiju pri brzinama vetra od oko 3 m/s pa sve do 25 m/s. Ekonomski je

isplatljiva proizvodnja ukoliko vetar duva godišnje preko 2.800 časova prosečnom brzinom od

preko 6 m/s (jedna godina ima 8760 časova). Da bi se to postiglo potrebno je odabrati pogodnu

lokaciju. I pored toga što na nekoj široj lokaciji postoje povoljni uslovi potrebno je i na samoj

budućoj lokaciji proveriti brzinu vetra na potrebnoj visini. Brzina vetra zavisi od konfiguracije

terena, objekata na zemlji i visine. Merenja je potrebno izvršiti minimalno na 10 m visine od

zemljišta, a preciznije je ako se merenja vrše na visini od 30 m ili 50 m. Merenja treba obavljati u

toku cele godine pre postavljanja vetrogeneratora da bi se dobila najpreciznija procena količine

električne energije koja se moţe očekivati na predmetnoj lokaciji.

22

Slika 3.2. Korišćenje energije vetra

Za domaćinstva vrlo su interesantne male vetrenjače snage do nekoliko desetaka [kW]. One

se mogu koristiti kao dodatni izvor energije ili kao primarni izvor energije u udaljenim

područjima. Kad se koriste kao primarni izvor energije nuţno im se dodaju baterije (akumulatori)

u koje se energija sprema kad se generiše više od potrošnje.

Veći vetrogeneratori su povezani na distributivnu mreţu. Trenutno se u svetu grade

vetrogeneratori snaga od 1 MW do 3 MW. Prečnik rotora je i do 120 m, a teţina jednog kraka

propelera je do 20 tona. Visina stuba na kome se nalazi gondola sa vetrogeneratorom je do 130

m. Ukupna teţina kompletnog vetrogeneratora sa stubom je oko 200 t. Na vrlo pogodnim

lokacijama bogatim konstantnim i jakim vetrovima podiţe se veći broj vetroagregata i takav skup

se naziva farma vetrenjača, slika 3.5. Pored izraza vetrenjača kod nas se još čest koriste i izrazi:

vetroagregat, vetroelektrana, vetrogenerator, električne turbine na vetar i slično.

Slika 3.5. Farme vetrenjača

Veliki vetroagregati često se instaliraju u park vetrenjača i preko transformatora spajaju se

na električnu mreţu.

Trenutni razvoj korišćenja energije vetra sve više ide u smeru gradnje farmi vetrenjača.

Farma vetrenjača je velika grupa vetrenjača koje su povezane zajedno u jednu ogromnu elektranu

na vetar i efikasnost ovakvog grupisanja vetrenjača raste svakim danom. Usprkos povećanoj

ukupnoj efikasnosti, veliki problem ostaje u tome da nema mnogo dobrih lokacija za farme

vetrenjača pošto je potrebna velika površina na kojoj duvaju relativno jaki i, što je moţda i

najvaţnije, stalni vetrovi. Za svaku moguću lokaciju potrebno je pre gradnje napraviti opseţna

istraţivanja godišnjih kapaciteta vetra da bi se mogla unapred izračunati količina energije koja se

moţe proizvesti na datoj lokaciji. Količina dostupne energije je glavni razlog zbog koga se

koriste detalja istraţivanja pre konačne investicije u odreĎenu farmu vetrenjača. Da bi se dobila

količina dostupne energije investitori moraju saraĎivati s meteorolozima da bi se dobio

meteorološki model lokacije koji se kasnije koristi za računanje efikasnosti mogućeg projekta

farme vetrenjača i da bi se na kraju krajeva dobio odgovor na pitanje da li je projekt uopšte

isplatljiv na datoj lokaciji. Za klasifikaciju podobnosti pojedinih lokacija za korišćenje energije

vetra postoje klase snage vetra. Za konstrukciju farmi vetrenjača podobne su lokacije koje imaju

23

klasu snage vetra tri ili više, a klasa snage vetra dva je podobna za gradnju malih vetrenjača koje

se uglavnom koriste za domaćinstva.

Kao dobre strane korišćenja energije vetra ističu se visoka pouzdanost rada postrojenja,

nema troškova za gorivo i nema zagaĎivanja okoline. Loše strane su visoki troškovi izgradnje i

promenljivost brzine vetra (ne moţe se garantovati isporuka električne energije).

Električna energija dobija se iz vetra pomoću vetroagregata koji se sastoje od krakova

turbine, prenosnog mehanizma, elektrogeneratora, nosećeg stuba i transformatora preko koga se

vrši priključivanje na električnu mreţu.

Električna energija se iz vetra najčešće proizvodi u generatorima koje pokreće ogromna

trokraka turbina smeštena na vrhu visokih tornjeva, a princip rada se pojednostavljeno moţe

nazvati "obrnutim od ventilatora". Princip rada je sledeći: vetar pokreće turbinu koja počinje

okretati osovinu spojenu na generator i to okretanje proizvodi električnu energiju.

Kod pretvaranja kinetičke energije vetra u mehaničku energiju (okretanje osovine

generatora) koristi se samo razlika brzine vetra na ulazu i na izlazu. Albert Betz, nemački fizičar

postavio je 1919. godine zakon energije vetra, a koji je publikovan 1926. godine u knjizi “Wind-

Energie”.

Snaga koja se prenosi na rotor vetrenjače proporcionalna je površini koju pokriva rotor,

gustini vazduha i kubu (trećem stepenu) brzine vetra:

32

2

1vrP

W

gde je:

P [W] - snaga,

- faktor iskorišćenja,

[kg/m³]- gustina vazduha,

r [m] - radijus turbine i

v [m/s]- brzina vazduha.

Električna energija dobijena iz energije vetra moţe se koristi i kao sekundarni izvor

energije u domaćinstvima.

Sjedinjene Američke Drţave u odnosu na drţave Evropske unije imaju veliku prednost u

svojoj veličini jer neke evropske drţave već sada imaju problema s prostorom za instalaciju

novih vetrenjača, a neke se već odlučuju i za offshore elektrane na vetar, slika 3.9. Evropska

unija planira instalaciju 50.000 MW vetrenjača offshore, u područjima gde je more plitko do

2025. godine. Ovo nije jednostavno jer je instalacija vetrenjača u plitkoj vodi znatno

komplikovanija i skuplja nego na kopnu, a glavni problem je zapravo u stabilizaciji vetrenjača

koje moraju biti izuzetno stabilne za proizvodnju električne energije. U morskim uslovima se

takoĎe javlja i problem korozije materijala što znači da se moraju upotrebljavati skuplji

nekorozivni materijali. Dodatni problem javlja se i kod prenosa električne energije do obale, jer

se moraju postaviti podvodni kablovi. Uz sve ove nedostatke, offshore vetrenjače imaju i mnoge

prednosti. Na primer, offshore turbine mogu biti mnogo veće od onih na kopnu, a to povećava

njihovu efikasnosti i količinu električne energije koju su sposobne proizvesti. Uz to na pučini

duvaju mnogo pogodniji vetrovi.

24

Slika 3.9. Ofshore (pučinske) vetrenjače

Dok drţave Evropske unije (posebno Danska i Nemačka) vode put, Sjedinjene Američke

Drţave u zadnje vreme takoĎe počinju napredovati prema tome da povećaju udeo energije vetra u

ukupnoj potrošnji električne u SAD-u. Uzevši u obzir potencijal energije vetra, posebno sa

razvojem offshore (pučinskih) vetrenjača, sektor korišćenja energije vetra radi velike korake

prema tome da postanu ozbiljna alternativa fosilnim gorivima.

3.3 ENERGIJA SUNCA (SOLARNA ENERGIJA)

Sva energija na Zemlji potiče iz tri osnovna izvora energije:

energije Sunca,

energije iz Zemlje i

energije gravitacije.

Energija iz Zemlje posledica je toplote Zemljinog jezgra koja se iz unutrašnjosti provodi

prema površini. Zemlja se od svojih početaka, kada je postojala kao kugla uţarene mase, hladi i

stvara čvrsti deo Zemljine kore koji je debeo do 50 km.

Energija gravitacije posledica je gravitacionih sila izmeĎu planeta Sunca, Meseca i

Zemlje. Gravitacione sile uzrokuju promene nivoa mora i time promenu potencijalne energije

morske vode. Amplituda plime i oseke mestimično varira, a moţe iznositi od nekoliko

centimetara do šesnaest metara.

Energija Sunca nastaje procesima nuklearne fuzije vodonika koji se odvijaju u središtu

Sunca. Sa površine Sunca energija se emituje u svemir elektromagnetnim talasima. Iako samo

vrlo mali deo ukupne Sunčeve energije dolazi do površine Zemlje, na nju tokom jedne godine

dospe veća količina energije od one sadrţane u ukupnim rezervama uglja i nafte. Veoma mali

deo te energije ostaje uskladišten duţe vreme na Zemlji.

Sunce je nama najbliţa zvezda te, neposredno ili posredno, izvor gotovo sve raspoloţive

energije na Zemlji. Sunčeva energija potiče od nuklearnih reakcija u njegovom središtu, gde

temperatura dostiţe 15 miliona °C. Glavni energetski proces koji se odvija na Suncu je nuklearna

fuzija, a to je spajanje dva laka atoma vodonika u jedan teţi atom helija, uz oslobaĎanje velike

količine energije (proporcionalne razlici masa pre i nakon reakcije, prema Ajnštajnovoj formuli:

E=mc2).

Sunce proizvodi energiju već pet milijardi godina i prema trenutnim procenama ta

proizvodnja energije nastaviće se još idućih pet milijardi godina. Solarna energija je deo energije

proizvedene na Suncu koja stiţe do zemlje.

Nuklearnom fuzijom se svake sekunde u Suncu pretvori oko 700.000.000 tona vodonika u

oko 695.000.000 tona helija, a razlika od 5.000.000 tona se pretvori (po Ajnštajnovoj formuli) u

energiju u obliku zračenja. Ova se energija u obliku svetlosti i toplote širi u svemir, pa tako jedan

njen mali deo dolazi i do Zemlje. Nuklearna fuzija odvija se na Suncu već oko 5 milijardi godina,

kolika je njegova procenjena starost, a prema raspoloţivim zalihama vodonika moţe se izračunati

25

da će se nastaviti još otprilike 5 milijardi godina. Iako je sunčeva energija uzročnik većine izvora

energije, u ovom delu fokusiraćemo se na direktno korišćenje sunčeve energije.

Slika 3.10. Globalna varijacija ozračenosti

Solarna energija je obnovljivi izvor energije, to je energija sunčevog zračenja koja se

uočava u obliku svetla i toplote koju primamo od najvećeg izvora energije na Zemlji, Sunca.

Sunčevo zračenje je odgovorno i za stalno obnavljanje energije vetra, morskih struja, talasa,

vodenih tokova i termalnog gradijenta u okeanima. Već decenijama se solarna energija koristi za

proizvodnju toplotne energije koja se koristi za zagrevanja vode, grejanje prostora, kao i za

hlaĎenje. Upotreba solarne energije ima višestruke prednosti. To je tih, čist i pouzdan izvor

energije. Zbog rastuće cene fosilnih goriva, kao i zbog jačanja svesti o potrebi očuvanja ţivotne

sredine, sve više raste interes za korišćenjem sunčeve energije.

Solarna energija se moţe direktno pretvoriti u toplotnu energiju ili u električnu energiju, a

to su zapravo korisni oblici energije. Električna energija je najkorisniji oblik energije današnjem

čovečanstvu jer se moţe jednostavno pretvoriti u koristan rad.

Solarna energija je „motor“ koji stoji iza gotovo svih obnovljivih izvora energije.

Sekundarni izvori energije koje pokreće solarna energija, poput energije vetra, energije talasa,

hidroenergije i biomase, čine većinu obnovljivih izvora energije na zemlji. Geotermalna energija

i energija plime i oseke nisu sekundarni proizvod solarne energije, jer bi postojale i bez solarnog

zračenja.

Noću i za vreme vrlo oblačnih dana solarna energija nije potpuno dostupna i potrebni su

sistemi za čuvanje energije koji se pune kada je energija dostupna. Solarna energija moţe se

uskladištiti u različitim oblicima, najpopularnije je pretvaranje u toplotnu energiju, zatim se moţe

čuvati u baterijama i akumulatorima te „pumped storage“ sistemima – pumpanjem vode na više

mesto kad postoji dovoljno energije i korišćenjem te vode kada solarna energija nije dostupna.

Solarna energija je obnovljivi izvor energije, jer se ne moţe potrošiti poput fosilnih goriva.

Solarna energija takoĎe je i vrlo čist izvor energije nakon instaliranja, jer nema štetnih emisija ili

zagaĎenja nastalih zbog upotrebe solarnih kolektora ili fotonaponskih ćelija.

Postoje više načina (tehnologija) korišćenja solarne energije:

- za proizvodnju električne energije, direktnim pretvaranjem solarne energije u

električnu energiju, pomoću fotonaponskih (photovoltaic) ćelija (solarne

fotonaponske elektrane). Rade na principu fotoelektričnog efekta, je najpoţeljniji

način korišćenja energije Sunca, ali zbog slabe efikasnosti (10-25%) i visoke cene (3

do 4 €/W) trenutno se ne koriste u velikoj meri. Fotonaponske ćelije se uobičajeno

postavljaju na mestima gde nije moguće dovesti neki drugi izvor energije, npr. na

satelitima, na znakovima uz puteve i slično. Dodatno se koriste za napajanje

energijom malih potrošača, npr. dţepnih kalkulatora.

- za proizvodnju električne energije, indirektnim pretvaranjem solarne energije u

električnu, prvo se solarna energija pretvara u toplotnu, a zatim toplotna u električnu

26

energiju (tzv. koncentrisane solarne termalne elektrana CSP). Rade na principu

koncentrisanog sunčevog zračenja, odnosno fokusiranja (koncentrisanja) sunčeve

energije pomoću sistema ogledala u jednu tačku u kojoj se neka tečnost zagreva na

visoku temperaturu, koja se koristi za proizvodnju električne energije u generatorima.

Na ovom principu zasniva se rad današnjih solarnih termalnih elektrana (efikasnost

im je od 20 do 40%, a mogu ostvariti temperature od 200 do preko 1000ºC). Ovakva

postrojenja mogu biti vrlo velika i uobičajeno se grade u pustinjama, a sluţe za

komercijalnu proizvodnju električne energije.

- za proizvodnju toplotne energije koja se koristi za grejanje prostora, pripremu

sanitarne tople vode, pomoću solarnih toplotnih energetskih sistema. Ovo je

najjednostavniji i najjeftiniji način korišćenja solarne energije. Elementi koji koriste

energiju Sunca za grejanje vode nazivaju se solarni kolektori (efikasnost im je od 35

do 55%, a mogu ostvariti temperature od 30-90ºC) i uobičajeno se postavljaju na

krovovima kuća i zgrada. Zatim za proizvodnju toplotne energije koja se koristi za

razne potrebe u industriji, poljoprivredi i sl. Potom za proizvodnju toplotne energije

koja se koristi za solarno apsorpciono hlaĎenje,

Znači, postoje dva osnovna tipa solarnih elektrana:

- solarne fotonaponske elektrane,

- solarne termalne elektrane.

Solarna energija je glavni izvor energije za satelite i svemirske sonde nakon lansiranja. Na

primer, najnoviji GPS sateliti (Block IIR) koriste solarne ćelije snage 1.136 W. Solarne ćelije se

gotovo uvek koriste u kombinaciji s baterijama da bi se izbegao ispad napajanja kada satelit ili

sonda nije u poloţaju odakle se vidi Sunce.

Oko 30% ukupne svetske potrošnje energije odlazi na grejanje vode. Iz toga se vidi da se

zavisnost od neobnovljivih izvora energije moţe znatno smanjiti upotrebom solarnih kolektora

(panela). Za grejanje vode nema potrebe koristiti skupe fotonaponske (solarne) ćelije koje bi

proizvodile električnu energiju koja bi se kasnije koristila za grejanje vode.

Solarna energija je vrlo čist izvor energije nakon instaliranja, ali postoje neke zabrinutosti u

pogledu čistoće postupaka proizvodnje fotonaponskih ćelija. Fotonaponske ćelije su direktno

povezane s proizvodnjom poluprovodnika, a ta proizvodnja ima otrovne nusproizvode koji mogu

ugroziti ţiva bića. U proizvodnji poluprovodnika takoĎe ima i emisije gasova sa efektom staklene

bašte.

Solarna energija će se u budućnosti znatno više koristiti, jer se očekuju rezultati naučnih

istraţivanja koji bi trebali smanjiti cenu i povećati efikasnost ovoga izvora energije.

Sunce je daleko najveći izvor energije u solarnom sistemu. Količina solarne energije koja

stiţe za 71 [min] na Zemlju dovoljna je da zadovolji godišnje energetske potrebe čovečanstva u

sadašnjoj fazi razvoja. Usprkos ogromnom potencijalu, korišćenjem solarne energije trenutno se

pokriva vrlo mali postotak energetskih potreba čovečanstva. Jednim delom to je zbog slabe

razvijenosti trenutnih tehnologija za korišćenje energije Sunca, ali ipak je najveći problem

trenutna cena sistema za korišćenje solarne energije.

Što je sunčevo zračenje veće na nekoj lokaciji, veća je i proizvedena energija. Tropski

regioni su u tom pogledu povoljniji od ostalih regiona sa umerenijom klimom. Srednja

ozračenost u Evropi iznosi oko 1.000 kWh/m2, dok poreĎenja radi, ona na Bliskom istoku iznosi

1.800 kWh/m2.

Da bi se povećao stepen iskorišćenja solarne energije vrši se njeno koncentrisanje.

Sistemi u kojima se vrši konverzija sunčevog zračenja i u električnu i u toplotnu energiju,

nazivaju hibridni ili multifunkcionalni solarni sistemi, slika 3.11. Hibridni kolektori su

27

kombinacija fotonaponskih i toplovodnih panela, odnosno, modula, čime je iz istog modula

moguće istovremeno proizvoditi električnu i toplotnu energiju. Ugradnja ovih sistema zahteva

mnogo manju površinu krova, u odnosu na odvojenu ugradnju toplotnih i fotonaponskih solarnih

sistema, te su u tom slučaju i troškovi same ugradnje niţi.

Slika 3.11. Hibridni ili multifunkcionalni solarni sistemi

Solarne fotonaponske elektrane direktno pretvaraju sunčevu energiju u električnu

energiju (jednosmerne struje) pomoću fotonaponskih (Photovoltaic) ćelija, koje se izraĎuju od

poluprovodničkih materijala. Ovo pretvaranje energije sunčevog zračenja u električnu zasniva se

na fotonaponskom efektu.

Princip rada fotonaponske ćelije je u suštini jednostavan, neki materijali kao što su npr.

monokristali silicijuma imaju osobinu da pod uticajem sunčevog zračenja, proizvode električnu

energiju (jednosmernu struju). Solarna energija stiţe na Zemlju u obliku fotona, prilikom pada na

površinu fotonaponske ćelije ti fotoni predaju svoju energiju ćeliji i na taj način uzrokuju

izbijanja elektrona iz atoma, koji se pod uticajem električnog polja u osiromašenom području PN

spoja (diode) kreću prema N, a nastale praznine prema P strani poluprovodnika (ćelije), na taj

način se stvara razlika potencijala odnosno proizvodi se električna energija. Razlika potencijala

izmeĎu ta dva sloja zavisi od intenziteta sunčevog zračenja.

Slika 3.12. Princip rada fotonaponske ćelije

Faktori koji utiču na intenzitet sunčevog zračenja, a time i na efikasnost fotonaponskih

panela:

- vremenski uslovi (oblaci, magla i sl.),

- koliko je visoko sunce na nebu i

- broj sunčanih dana.

28

Do sada je postignuti stepen korisnog dejstva fotonaponskih solarnih ćelija do oko 40%.

Pošto su ovakvi novi materijali vrlo skupi, sunčeva svetlost se optičkim sistemom ogledala ili

sočiva fokusira na male površine skupih fotonaponskih ćelija, slika 3.16. Ovakva konstrukcija je

ekonomski opravdana ako su fotonaponske ćelije skuplje od optičkog sistema za fokusiranje. Uz

ovakvu konstrukciju potrebna je manja površina fotonaponskih solarnih ćelija.

Slika 3.16. Koncentrisana (fokusirajuća) fotonaponska CPV (Concentrated photovoltaic)

tehnologija

Fotonaponske ćelije se mogu koristiti kao samostalni izvori energije ili kao dodatni izvori

energije.

Kao samostalni izvori energije koriste se za: napajanje svemirskih satelita i brodova, za

obezbeĎenje električne energije u objektima gde nema distributivne mreţe, za napajanje raznih

signalnih i telekomunikacionih ureĎaja. U svemiru je i snaga sunčevog zračenja puno veća, jer

Zemljina atmosfera apsorbuje veliki deo zračenja, pa je i dobijena energija veća.

Kao dodatni izvori energije fotonaponske ćelije se mogu priključiti na distributivnu mreţu,

ali tada je potrebno ugraditi odgovarajući pretvarač (invertor) koji vodi računa o potrebnom

naponu, frekvenciji i faznom stavu da bi se ostvarilo uspešno prenošenje energije u distributivnu

mreţu, slika 3.17. Isto tako ukoliko je potrebno da se obezbedi napajanje nekog prijemnika

naizmeničnom strujom napona 220 V koristi se invertor odgovarajuće snage. Snage

fotonaponskih sistema se kreću u granicama od 1 W do 1 MW. Veći fotonaponski sistemi se

prave sa ciljem da dobijenu električnu energiju šalju u distributivnu mreţu, čime se doprinosi

smanjenju zagaĎenja ţivotne sredine, a istovremeno se ostvaruje i finansijska dobit.

Slika 3.17. Šema fotonaponskog sistema priključenog na distributivnu mreţu

U svetu se sve više koriste fotonaponski sistemi kao fasadni ili krovni elemenati koji

zamenjuju klasične materijale. Na taj način kroz ostvarenu proizvodnju električne energije vrši se

otplata investicije, što nije slučaj za klasične krovne i fasadne materijale. Na slici 3.18. su

prikazana različita mesta postavljanja fotonaponskih sistema.

29

Slika 3.18. Različita mesta postavljanja fotonaponskih panela

Kada se govori o trţištu fotonaponske energije misli se na instalirane kapacitete

fotonaponskih solarnih ćelija. Unazad desetak godina, trţište fotonaponske tehnologije raste

praktično eksponencijalno. Drţave u kojima je proizvedeno najviše fotonaponskih solarnih ćelija

su Japan, Nemačka, zatim SAD, Tajvan i Kina.

Cena fotonaponskih panela se u svetu kreće od 3 do 4 €/W u zavisnosti od veličine sistema

i tipa ćelija. Većina zemalja uvela je podsticajne mere za sve one koji se odluče za investiranje u

obnovljive izvore energije. U tome najviše prednjače Nemačka, Amerika, Danska i Španija.

Prednosti solarnih fotonaponskih elektrana su očigledne:

- uvek prisutno besplatno gorivo;

- ne zagaĎuju ţivotnu sredina;

- ne ispuštaju CO2 u atmosferu;

- ne stvaraju kisele kiše (zbog emisija sumpor-dioksida i azot-dioksida);

- ne stvaraju nikakav otpad;

- ne zagaĎuju zemljište i vodotokove;

- uklapaju se u “vršno dnevno opterećenje“ kada potrošnja raste preko dana;

- dodatna korist je otvaranje radnih mesta, posebno u fazi izgradnje solarne elektrane,

koja traje 3-4 godine;

- moguća je i ispaša stada izmeĎu fotoelektričnih panela;

- za rad ne koriste vodu itd.

I nedostaci su očigledni:

- energija se proizvodi samo preko dana, kada sunce sija;

- efekti rada solarne elektrane su umanjeni po oblačnom i kišovitom vremenu i zimi

kada je intenzitet sunčevog zračenja 4-5 puta manji u odnosu na leto;.

- veliki nedostatak je što zahvataju velike površine zemljišta. Primera radi, elektrana

instalirane snage 350 MWp zauzima prostor od oko 25 km2. Solarna elektrana od 50

MW zauzima prostor od oko 200 ha. I jedna pretpostavka: za celokupnu svetsku

proizvodnju električne energije iz solarnih elektrana, pri skromnom zračenju Sunca od

1.000 [kWh/godišnje] po m2, bio bi potreban prostor od oko 150×150 km itd.

Solarne termalne elektrane rade na principu indirektnog pretvaranja sunčeve energije u

električnu energiju odnosno rade na principu pretvaranja solarne energije u toplotnu, a zatim

toplotne u električnu energiju (pomoću parnih turbina i generatora), za razliku od solarnih

fotonaponskih elektrana koje rade na principu direktnog pretvaranja sunčeve energije u električnu

energiju.

30

Zbog potrebe za visokim temperaturama, gotovo sve vrste solarnih termalnih elektrana rade

na principu koncentrisanja (fokusiranja) sunčevog zračenja (npr. pomoću sistema ogledala ili

sistema sočiva) s velikog prostora na malu površinu, zbog toga se ove elektrane zovu i

koncentrisane solarne termalne elektrane CSP (Concentrating Solar Plant). Kako se tokom dana

poloţaj Sunca na nebu menja, tako se stalno menja i najpovoljniji ugao pod kojim padaju

Sunčevi zraci na ogledala, zbog toga je potrebno ugraditi sisteme koji će omogućiti da ogledala

stalno prilagoĎavaju svoj poloţaj poloţaju sunca. Ti sistemi su neophodni kako bi se dobila što

veća efikasnost inače skupih solarnih termalnih elektrana.

U principu se solarne termalne elektrane sastoje od reflektora sunčevog zračenja i solarnog

kolektora u kome se zagreva fluid, koji isparava i ta para prolazi kroz turbine ili toplotne motore

(npr. Stirlingov motor). Reflektori različitih oblika su u stvari sistemi sočiva ili češće sistemi

ogledala. Princip rada solarnih termalnih elektrana se zasniva na tome da se pomoću reflektora

usmerava (fokusira, koncentriše) energija sunčevog zračenja na kolektor-prijemnik (na jednu

liniju (kod paraboličnih reflektora) odnosno u jednu tačku (kod sferičnih reflektora)). Na taj

način se stvara velika količina toplote, usled čega se voda zagreva na visoke temperature od 200

do preko 1.000ºC (zavisno od sistema) i isparava, ta para se, kao i u konvencijalnim elektranama,

koristi za proizvodnju električne energije pomoću parnih turbina i generatora.

Ovo nije potrebno za grejanje zgrada i pripremu sanitarne tople vode, kao ni kod solarnog

hlaĎenja, ali se na ovaj način moţe zagrevati voda za podmirivanje potreba u naseljima koja

imaju distribuciju tople vode. TakoĎe na ovaj način postignute visoke temperature mogu se

iskoristiti za vrlo specijalizovane livnice metala i druge industrijske procese.

Problem kod fokusiranja je u tome što je potreban veliki prostor za elektranu, ali to se

rešava tako da se elektrane gradi u nenaseljenim područjima npr. u pustinjama. U pustinjama je

ionako snaga sunčevog zračenja najizraţenija.

Povećanje efikasnosti moguće je postići skladištenjem toplotne energije, na taj način,

omogućeno je da se električna energija proizvodi dok sunce ne sija, preko noći i po lošem

vremenu (za vreme smanjene insulacije - mera energije solarne radijacije primljene ili predane od

strane odreĎene površine u odreĎenom vremenu), zahvaljujući energiji koja se skladišti dok

sunce sija.

Pošto nemaju štetnih produkata prilikom proizvodnje električne energije, a efikasnost im je

velika (20 do 40%), predviĎa im se svetla budućnost. Kako je količina energije koja pada na

površinu zemlje izuzetno velika, izgradnjom takvih elektrana na sunčanim nenaseljenim

područjima (npr. u Sahari), energijom bi se moglo snabdevati veliki broj potrošača.

S obzirom na oblik reflektora (površina koje fokusiraju sunčevu svetlost) i način celokupne

izvedbe solarnih termalnih elektrana se dele na:

- Solarne termalne elektrane sa paraboličnim reflektorima u obliku korita (trough)

poreĎanih u duge paralelne redove,

- Solarne termalne elektrane sa sabirnim solarnim tornjem i heliostatima (pokretnim

ogledalima),

- Solarne termalne elektrane sa sfernim reflektorima u obliku tanjira i motor-

generatorskom grupom (Stirlingov motor spregnut sa električnim generatorom)

postavljenom u ţiţi sfere,

- Solarne termalne elektrane sa Frešnelovim reflektorima,

- Solarne uzgonske termalne elektrane (nisu koncentrisane).

Radni fluid kod prve dve vrste elektrana je rastvor soli ili voda, a kod treće su vodonik i

helijum. Sačinilac koncentracije sunčevog zračenja kod solarnih termalnih elektrana sa

paraboličnim reflektorima u obliku korita iznosi okvirno 30 do 100oC, a razvijaju temperature od

31

150-350oC. Sačinilac koncentracije sunčevog zračenja kod solarne termalne elektrane sa sabirnim

solarnim tornjem i heliostatima kreće se u granicama od 900 do 1.500oC sa temperaturom u ţiţi

preko 1.000oC. Sačinilac koncentracije sunčevog zračenja kod solarne termalne elektrane sa

sfernim reflektorima u obliku tanjira i motor-generatorskom grupom postavljenom u ţiţi sfere je

oko 200oC, a razvijaju temperature oko 400-500

oC.

1. Solarne termalne elektrane sa paraboliĉnim ogledalima u obliku korita poreĊanih u

duge paralelne redove

Sastoje se od dugih redova paraboličnih ogledala (zakrivljenih oko samo jedne osi) i

kolektora koji se nalazi iznad njih, slika 3.20.

Slika 3.20. Princip rada solarne termalne elektrane sa paraboličnim ogledalima u obliku korita

poreĎanih u duge paralelne redove

Primer ovakve elektrane je najveća solarna elektrana na svetu Andasol (ime je dobila po

skraćenici od reči Andaluzija (pusta visoravan u Španiji) + solarna), slika 3.21., koja je puštena u

pogon 2009. godine, čija je snaga 50 MWp. Opremljene su sa dva skladišta veličine 14×36 [m].

Sadrţaj skladišta su rastopljena so natrijuma i kalijum nitrata u odnosu pola-pola. Temperature u

skladištima su: hladno skladište oko 300oC, toplo oko 390

oC. To su, u stvari, toplotni

akumulatori. Skladištenjem toplote se gotovo udvostručuje rad solarne elektrane. Toplota koja se

čuva u 30.000 tona soli dovoljna je za pokretanje parnih turbina koje pokreću generatore, a oni

proizvode električnu energiju i do 8 časova nakon zalaska Sunca.

Slika 3.21. Princip rada najveće solarne termalne elektrane na svetu Andasol (Španija)

32

2. Solarne termalne elektrane sa solarnim tornjem i heliostatima

Ove elektrane imaju veliki broj pokretnih ogledala (heliostata) postavljenih oko središnjeg

mesta gde se nalazi toranj, slika 3.22 i slika 3.23. Pokretna ogledala fokusiraju Sunčevu energiju

prema vrhu tornja. Heliostati (pokretna ogledala) prate kretanje Sunca po dve ose, tokom dana i

kod promena leto-zima. Sabirni solarni toranj, “prijemnik”, visok je 165 m.

Slika 3.22. Princip rada solarne termalne elektrane sa solarnim tornjem i heliostatima

Slika 3.23. Solarne termalna elektrane sa sfernim reflektorima u obliku tanjira (dish) i motor-

generatorskom grupom

Cena solarne elektrane sa paraboličnim (koritastim) kolektorima iznosi oko 4.000-6.000

c€/kWh (evro cent po kilovat satu), dok je cena klasične termoelektrane oko 1.000-12.000

c€/kWh.

Što se tiče pogodnih mesta za elektrane, to su suva aridna prostranstva, polupustinje i

polustepe koje se ne koriste za potrebe poljoprivrede: zemlje Mediteranskog bazena, Sahara,

delimično i Srbija, pustinja Negev u Izraelu, pustinja Tara u Indiji, Australija, jug Meksika,

Nevada, Arizona, Kalifornija, pustinja Gobi u Kini i sl. Problem izgradnja solarnih elektrana na

tim mestima je u povezivanju na prenosnu električnu mreţu pošto su to uglavnom periferni

delovi zemalja, slabo razvijeni i retko naseljeni.

3.4 GEOTERMALNA ENERGIJA

Reč geotermalna potiče od dve grčke reči geo-zemlja i therme-toplota i znači toplota

zemlje, pa se prema tome pojam geotermalna energija odnosi na korišćenje toplote unutrašnjosti

Zemlje. Geotermalna energija je u stvari toplotna energija Zemlje koja se generiše u njenom

jezgru i polako putuje prema površini Zemlje.

33

Geotermalna energija je obnovljivi izvor energije, jer se toplota neprekidno proizvodi

unutar Zemlje različitim procesima. Na prvom mestu je prirodno raspadanje radioaktivnih

elemenata (prvenstveno urana, torijuma i kalijuma), koji se nalaze u suvim stenama, i proizvode

ogromnu toplotnu energiju. Osim radioaktivnim raspadom, toplota u Zemljinoj kori se stvara i na

druge načine: egzotermnim hemijskim reakcijama, kristalizacijom rastopljenih materijala i

trenjem pri kretanju tektonskih masa.

Geotermalna energija spada u obnovljivi izvor energije i u različitoj meri je prisutna svuda.

Samim tim je ekološki najprihvatljivija njena upotreba, a gledano ekonomski je najpovoljnija, jer

dolazi besplatno, ostvaruje se ušteda energije do 70% u grejanju stambenih, poslovnih i javnih

objekata.

Geotermalna energija se nalazi svuda ispod nas. Negde je lako dostupna skoro na samoj

površini zemlje u širokom opsegu temperatura i pogodna je za korišćenje na više načina. Na

drugim mestima se nalazi na većoj dubini i ukoliko su temperature više onda se isplati ulaganje u

njeno korišćenje.

Geotermalna energija je obnovljivi izvor energije koji koristi toplotu unutar zemljine kore.

Geotermalna energija se koristi u preko 20 drţava širom sveta. Neke od tih drţava su

Island, Sjedinjene Američke Drţave, Italija, Francuska, Litva, Novi Zeland, Meksiko, Nikaragva,

Kostarika, Rusija, Filipini, Indonezija i Narodna Republika Kina.

Na svakih 100 m ispod zemlje temperatura stena povećava se za otprilike 3°C.

Island je drţava koja je smeštena u području visoke koncentracije vulkanskih aktivnosti, a

takva mesta su idealna za korišćenje geotermalne energije. Preko 26% električne energije na

Islandu proizvodi se iz geotermalnih izvora energije. Dodatno, geotermalno grejanje koristi se za

grejanje 87% domaćinstava na Islandu. IslanĎani planiraju u potpunosti izbaciti fosilna goriva iz

upotrebe u bliskoj budućnosti.

Geotermalna energija naziva se obnovljivim izvorom energije jer se voda obnavlja pomoću

kiša, a toplota se konstantno proizvodi unutar jezgra Zemlje.

Uobičajen način korišćenja geotermalne energije je grejanje u hidrotermalnim područjima

tzv. geotermalnim izvorima. Ova područja su geološki aktivna mesta na kojima se voda probija u

zemljinu koru, tamo se zagreje i diţe prema površini.

Pre oko 10.000 godina Paleo-Indijanci koristili su vruće izvore geotermalne vode u

severnoj Americi za kuvanje. Prema njihovim ratnim pravilima, područja oko vrućih izvora bila

su neutralne zone. Ratnici suprotstavljenih plemena kupali bi se zajedno u miru.

Geotermalna energija se moţe koristiti za grejanja i hlaĎenja zgrada. Koristi se prednost

prirodno dostupne toplote unutar Zemlje. Za geotermalno grejanja nije potreban plamen, pa

prema tome nema ni proizvodnje gasova opasnih za zdravlje i nisu potrebne dodatne sigurnosne

mere kao kod fosilnih goriva.

Najpogodnija područja za korišćenje geotermalne energije nalaze se oko velikih granica

izmeĎu tektonskih ploča, a u tim područjima ima puno potresa i aktivnih vulkana. Najviše

geotermalnih aktivnosti na svetu dogaĎa se oko područja koje se naziva "Prsten vatre" (Ring of

Fire). Taj prsten okruţuje tihi okean.

Geotermalna energija se u nekim zemljama koristila hiljadama godina u obliku banja,

odnosno rekreaciono-lekovitog kupanja, u prošlosti su dobro poznati pozitivni terapeutsko-

zdravstveni efekti izvora vruće vode odnosno banja. MeĎutim, razvoj nauke nije se ograničio

samo na područje lekovitog korišćenja geotermalne energije već je korišćenje geotermalne

energije usmerio i prema proizvodnji električne energije, grejanju zgrada i potrebama

industrijskih postrojenja. To su glavni, ali ne i jedini, načini korišćenja geotermalne energija, ona

34

se takoĎe moţe koristiti i u druge svrhe kao što su npr: zagrevanje plivačkih bazena, zagrevanje

staklenika, sušenje drveta i vune, proizvodnji papira, pasterizaciju mleka, plansko stočarstvo itd.

Geotermalna energija se moţe koristiti direktno kao toplota bez daljih pretvaranja, te

pretvoriti u druge oblike energije, npr. u električnu energiju. Direktno korišćenje geotermalne

energije obuhvata široku lepezu primena, u zavisnosti od temperature leţišta: za kupanje i

banjske potrebe, grejanje i hlaĎenje prostora, toplotne pumpe, rashladnu tehniku, otapanje snega i

leda, uzgoj riba, grejanje staklenika, sušenje, fermentaciju, obradu pulpe, papira i drveta, itd.

Postoje tri osnovna načina (tehnologije) korišćenja geotermalne energije:

- koristi se direktno vruća voda koja izbija (ili se ispumpava) iz zemlje za grejanje kuća

ili staklenika, za pojedine postupke u industriji (npr. pasterizaciju mleka), za banje itd,

- koristi se pomoću geotermalnih pumpi topla voda, koja izbija iz plitkih geotermalnih

izvora, za grejanje i hlaĎenje,

- koristi se vruća voda ili para, koja izbija iz zemlje, za proizvodnju električne energije,

princip rada se ne razlikuje bitno od rada klasičnih termoelektrana na ugalj ili mazut,

razlika je samo u načinu na koji se dobija vodena para.

Zavisno od temperature vode (ili pare) u podzemlju razvijeno je nekoliko različitih

tehnologija.

Kada je u pitanju geotermalna energija stena, današnja tehnologija je ograničena na dubine

bušenja do 10 km, i samim tim je moguća eksploatacija do tih dubina. Ako se računa sa većim

dubinama ta je energija višestruko veća. U neposrednoj budućnosti i do časa kada bude ostvarena

tehnologija koja će omogućiti korišćenje ove energije, ostaje kao energetski izvor samo

hidrogeotermalna energija. Nje ima mnogo manje, ali je njena tehnička upotrebljivost velika, kao

i ekonomska opravdanost eksploatacije.

Ukoliko se računa sa korišćenjem do dubine od 3 km, rezerve hidrogeotermalne energije su

oko 2.000 puta više nego rezerve uglja. Najveći deo nosilaca energije ima temperature niţe od

100°C (oko 88%, a tek mali deo ima temperature iznad 150°C (oko 3%). Procenjeno je da zalihe

geotermalne energije daleko prevazilaze energetske zalihe uglja, nafte, prirodnog gasa i

uranijuma zajedno.

Osnovni medij koji prenosi toplotu iz unutrašnjosti na površinu je voda ili para, a ta

komponenta obnavlja se tako da se voda od kiša probija duboko po raspuklinama i tamo se onda

zagreva i cirkuliše nazad prema površini, gde se pojavljuje u obliku gejzira i vrućih izvora, slika

3.33.

Slike 3.33. Izvori geotermalne energije na površini Zemlje

Najpogodnija područja za korišćenje geotermalne energije se nalaze u područjima izraţene

vulkanske i tektonske aktivnosti tj. na rubovima tektonskih ploča. Zemlja je podeljena na

tektonske ploče koje se celo vreme kreću i sudaraju i time stvaraju mesta pogodna za korišćenje

geotermalne energije. Najpogodnija područja za korišćenje te energije nalaze se na takozvanom

Vatrenom prstenu (Ring of Fire).

Nedostaci proizlaze iz činjenice da je malo mesta na Zemlji gde se vrela voda u podzemlju

ne nalazi na prevelikoj dubini - takva područja, tzv. geotermalne zone vezane su uz vulkanizam

35

ili granice litosfernih ploča. Kako su to često i potresna područja sama gradnja postrojenja

zahteva povećane troškove. Često su udaljena od naseljenih područja, pa se stvaraju troškovi

prenosa energije, a ponekad su zaštićena pa gradnja nije dopuštena.

Jedna od najčešćih podela geotermalnih izvora je prema temperaturi geotermalnog fluida:

nisko temperaturni (do 100°C), srednje temperaturni (od 100 do 200°C) i visoko temperaturni

(preko 200°C). Tipovi geotermalnih izvora su: hidrotermalni, suve tople stene, geotlačni i

energija magme. Prvi se već široko iskorištavaju, dok su ostala tri tipa u eksperimentalnoj fazi.

Jedan od najzanimljivijih oblika korišćenja geotermalne energije je za proizvodnju

električne energije. Tu se koriste vruća voda i para iz Zemlje za pokretanje turbina, pa prema

tome nema sagorevanja fosilnih goriva i kao rezultat toga nema ni emisije štetnih gasova u

atmosferu, ispušta se samo vodena para.

Za proizvodnju električne energije iz geotermalnih izvora temperature moraju biti najmanje

100°C.

Počeci korišćenja toplote Zemlje za proizvodnju električne energije veţu se za malo

talijansko mesto Landerello i 1904 godinu, tada je započelo eksperimentisanje s tim oblikom

proizvodnje električne energije, koja je napajala pet sijalica, a taj se eksperiment smatra prvom

upotrebom geotermalne energije za proizvodnju električne energije. U tom mestu je 1911. počela

gradnja prve geotermalne elektrane koja je završena 1913., nazivna snaga joj je bila 250 kW. To

je bila jedina geotermalna elektrana na svetu za gotovo pola veka. Iako su sva postrojenja u

Landerello-u uništena u drugom svetskom ratu, postrojenja su ponovo izgraĎena i proširena te se

koriste i danas. To postrojenje i danas električnom energijom napaja oko milion domaćinstava tj.

proizvede se gotovo 5.000 GWh godišnje električne energije, što je oko 10% ukupne svetske

proizvodnje električne energije iz geotermalnih izvora. Iako je geotermalna energija obnovljivi

izvor energije, pritisak pare se u Landerello-u smanjio za 30% od 1950.

Geotermalne elektrane koje se danas nalaze u radu mogu se podeliti na tri osnovna tipa:

- elektrane sa suvom parom,

- elektrane s isparavanjem (jednostrukim i dvostrukim) i

- binarne elektrana.

1. Elektrane sa suvom parom, slika 3.34., koriste vrlo vruću paru, obično preko 235°C, za

direktno pokretanje turbine. Ovo je najjednostavniji i najstariji princip rada i još uvek se koristi,

jer je to daleko najjeftiniji princip proizvodnje električne energije iz geotermalnih izvora. Prva

geotermalna elektrana na svetu u Landerello-u radila je na ovom principu. Da bi se ekstrahovala

geotermalna energija iz vrućih kamenih slojeva zemljine unutrašnjosti voda se upumpava kroz

otvor za ubrizgavanje i prolazi kroz pukotine vrućih slojeva zemljine unutrašnjosti, a zatim se

kroz povratni otvor vraća nazad na površinu pod visokim pritiskom, pri čemu se pretvara u paru

kada doĎe do površine. Vruća para temperature preko 200 [°C] visokog pritiska, pokreće turbinu,

a ona rotor generatora koji proizvodi električnu energiju. Para sa turbine se kondenzuje i ponovo

vraća u stene. Trenutno najveća geotermalna elektrana na svetu, u severnoj Kaliforniji, proizvodi

električnu energiju na ovom principu još od 1960 godine. Količina proizvedene električne

energije iz tog postrojenja dovoljna je za snabdevanje grada veličine San Franciska.

36

Slika 3.34. Elektrana sa suvom parom

Ukupni kapaciteti za proizvodnju električne energije iz geotermalne energije u svetu 2010.

bili su 10.715 MW, što je za 20% rast u odnosu na 2005. kad je bilo instalirano ukupno 8.933

MW u 24 drţave.

Sjedinjene Američke Drţave i dalje su lider u proizvodnji električne energije iz

geotermalnih izvora energije sa 3.086 MW instaliranih kapaciteta.

I dalje se geotermalna energija najviše koristi na području tzv. prstena vatre (engl. ring of

fire) slika 3.37., ali se u odnosu na 2005. primećuje i trend korišćenja geotermalne energije u

područjima koja su do tada smatrana lošim za korišćenje tog oblika energije. To se ponajviše

odnosi na evropske drţave poput Francuske, Latvije, Nemačke i Velike Britanije koje su za

razvoj geotermalne energije uvele razne podsticaje koji smanjuju rizik od neuspeha ovih

projekata. Iako u zadnjih nekoliko godina nije bilo velikih projekata, geotermalna energija u

Evropi za sad se najviše eksploatiše u Italiji, gde je instalirano ukupno 843 MW geotermalnih

kapaciteta što je ekvivalentno jednoj prosečnoj nuklearnoj elektrani. U Italiji je to moguće zbog

regije Larderello - područja s gotovo idealnom pozicijom za korišćenje geotermalne energije. U

toj regiji vrlo vruće granitne stene nalaze se neobično blizu površine i proizvode vruću paru

temperature 220°C.

Slika 3.37. Prsten vatre (ring of fire) na karti sveta

Drugi zanimljiv oblik korišćenja geotermalne energije je za grejanje. Geotermalna energija

se koristi i u poljoprivredi za povećanje prinosa. Voda iz geotermalnih rezervoara koristi se za

grejanje staklenika za proizvodnju cveća i povrća. Pod grejanjem staklenika ne podrazumeva se

37

samo grejanje vazduha, već i zagrevanje zemljišta u kome biljke rastu. Vekovima se ovo koristi u

centralnoj Italiji, a MaĎarska trenutno pokriva 80% energetskih potreba staklenika geotermalnom

energijom.

Postoji još vrlo širok spektar upotrebe geotermalne energije, neke od tih upotreba su

uzgajanje ribe, razne vrste industrijskih upotreba, balneologija – korišćenje za rekreaciju i lečenje

(banje) i slično.

Toplotne pumpe su jedna od mogućih upotreba geotermalne energije. Toplotne pumpe

troše električnu energiju za cirkulaciju geotermalne tečnosti, a ta tečnost kasnije se koristi za

grejanje, hlaĎenje, kuvanje i pripremu tople vode i na taj način znatno se smanjuje potreba za

električnom energijom.

Pošto je procenjena ukupna količina geotermalne energije koja bi se mogla iskoristiti

znatno veća nego ukupne količine energije nafte, uglja i zemnog gasa zajedno onda geotermalnoj

energiji treba posvetiti veću paţnju. Naročito ako se uzme u obzir da je reč o jeftinom,

obnovljivom izvoru energiju koji je pored toga i ekološki prihvatljiv. Pošto geotermalna energija

nije svuda lako dostupna, trebalo bi iskoristiti barem mesta na kojima je ta energija lako dostupna

(rubovi tektonskih ploča) i tako barem malo smanjiti pritisak na fosilna goriva i time pomoći

Zemlji da se oporavi od štetnih gasova sa efektom staklene bašte.

Island je drţava koja najviše koristi svoj prirodni poloţaj za korišćenje geotermalne

energije. Najveći geotermalni sistem koji sluţi za grejanje nalazi se na Islandu, odnosno u

njegovom glavnom gradu Reykjavik-u u kojem gotovo sve zgrade koriste geotermalnu energiju,

te se čak 89% islandskih domaćinstava greje na taj način.

Iako je Island sigurno najveći korisnik geotermalne energije po glavi stanovnika sa 89%

svih islandskih domaćinstava koja se greju na taj način, nije usamljen na području korišćenja

geotermalne energije. Geotermalna energija se uveliko koristi i u područjima Novog Zelanda,

Japana, Italije, Filipina te i nekih delova SAD-a kao što je San Bernardino u Kaliforniji te u

glavnom gradu Idaho-a Boise-u.

Prednosti korišćenja geotermalne energije su:

- radi se o obnovljivom izvoru energije, odnosno toplota neprestano izvire iz zemljine

unutrašnjosti, što predstavlja glavnu prednost korišćenja ovog izvora energije;

- korišćenje geotermalne energije nema skoro nikakav negativan uticaj na ţivotnu

sredinu i ne doprinosi efektu staklene bašte, u pravilu nema štetnih emisija, osim

vodene pare, ali ponekad mogu biti i drugi gasovi;

- geotermalne elektrane ne zauzimaju mnogo prostora i samim tim malo utiču na

ţivotnu sredinu;

- upitanju je ogroman energetski potencijal, koji obezbeĎuje neograničeno napajanje

energijom;

- nema potrebe za gorivom;

- kada se izgradi geotermalno postrojenje, energija je gotovo besplatna, uz manju

lokalnu potrošnju;

- mogućnost višenamenskog korišćenja resursa (utiče na ekonomsku opravdanost

eksploatacije), mogu se koristiti u najrazličitijim okruţenjima od farmi, osetljivih

pustinjskih površina pa sve do šumsko-rekreativnih područja;

- geotermalna voda sadrţi mnoštvo minerala i različitih ostalih hemijskih elemenata što

ima izraţene zdravstvene i terapeutske efekte naročito na razne vrste koţnih bolesti;

- radi se o jeftinom, stabilnom i trajnom izvoru energije itd.

38

Nedostaci korišćenja geotermalne energije su:

- nema puno mesta na svetu koja su izuzetno pogodna za korišćenje geotermalne

energije (poloţaj, dubina, temperatura, procenat vode u odreĎenom geotermalnom

rezervoaru i sl.), što predstavlja glavni nedostatak korišćenja geotermalne energije;

- ograničenja s obzirom na sastav stena i mogućnost pristupa i eksploatacije;

- izvor toplotne energije moţe biti iscrpljen usled neodgovarajuće eksploatacije;

- prisustvo opasnih gasova i minerala predstavljaju poteškoću prilikom eksploatacije;

- potrebne visoke početne investicije (početak korišćenja i razvoj) i visoki troškovi

odrţavanja (izazvani korozijom, naslagama minerala i dr.) itd.

3.5 ENERGIJA OKEANA

Svet je došao u vreme kada mu treba sve više i više energije pošto potrošnja energije

znatno raste. MeĎutim, ne samo da svetu treba energija, već mu treba energija iz obnovljivih,

ekološki prihvatljivih izvora energije koji ne uzrokuju ekološke probleme kao što su globalno

zagrevanje i zagaĎenje vazduha. Jedan od tih novih obnovljivih izvora energije svakako bi mogla

biti i energija okeana čija će vaţnost sigurno biti puno veća u budućnosti.

Okeani pokrivaju više od 70% Zemljine površine i zato predstavljaju vrlo interesantan

izvor energije, koji bi u budućnosti mogao davati energiju kako domaćinstvima, tako i

industrijskim postrojenjima. Trenutno je energija okeana izvor energije koji se vrlo retko koristi,

jer trenutno postoji mali broj elektrana koje koriste energiju okeana, a osim toga te su elektrane

još uvek malih snaga tako da je deo energije koji se odnosi na energiju okeana u stvari

zanemarljiv na globalnoj skali. MeĎutim, kako obnovljivi sektor dobija sve veće značenje s njime

bi trebalo takoĎe porasti i korišćenje, ovog u najmanju ruku zanimljivog izvora energije. Postoje

tri osnovna načina na koje se moţe koristiti energija okeana:

- Pretvaranjem energija talasa u električnu energiju,

- Pretvaranjem energija plime i oseke u električnu energiju,

- Pretvaranjem toplotne energije okeana u električnu energiju, korišćenjem razlike

temperatura izmeĎu duboke i plitke vode.

Pretvaranje energije talasa u elektriĉnu energiju

Energija talasa je oblik transformisane Sunčeve energije koja stvara stalne vetrove na

nekim delovima Zemlje. Ti vetrovi uzrokuju stalna talasanja na odreĎenim područjima i to su

mesta na kojima je moguće korišćenje njihove energije. Veliki problem kod takvog korišćenja

energije je da elektrane treba graditi na pučini jer u blizini obale talasi slabe. To znatno povećava

cenu gradnje, ali nastaju i problemi prenosa te energije do korisnika. Rezultati u trenutnoj fazi

dospeli su tek do prototipova i demonstracionih ureĎaja. Na slici 3.38. se vidi princip pretvaranja

energije talasa u električnu energiju. Energija talasa se prvo pretvara u strujanje vazduha, a taj

vetar pokreće turbinu. Amplituda talasa mora biti velika da bi pretvaranje bilo efikasno.

Energija talasa je oblik kinetičke energije koja postoji u kretanju talasa u okeanu, a kretanje

talasa uzrokuje duvanje vetrova po površini okeana. Ta energija moţe biti korišćena da pokrene

turbine, te postoji dosta mesta gde su vetrovi dovoljno snaţni da proizvedu stalno kretanje talasa.

Ogromne količine energije kriju se u energiji talasa te joj to daje ogroman energetski potencijal.

Energija talasa se direktno hvata ispod površine talasa ili iz raznih fluktuacija pritisaka ispod

površine. Tada ta energija moţe pogoniti turbinu, a najjednostavniji i najčešći način

funkcioniranja je sledeći: talas se diţe u komori, a rastuće sile vode teraju vazduh iz komore te

tako pokretljivi vazduh zatim pogoni turbinu, a koja onda pokreće generator.

39

Slika 3.38. Princip pretvaranja energije talasa u električnu energiju

Pretvaranje energije plime i oseke u elektriĉnu energiju

Drugi tip energije okeana je energija plime i oseke, pošto kad morske mene doĎu na obalu,

mogu se zatvoriti u rezervoare iza brana. Energija plime i oseke je u stvari forma hidroenergije

koja koristi kretanja vode, a koja se dogaĎaju zbog morskih mena, odnosno spuštanja i dizanja

nivoa mora. Velike podvodne turbine postavljene su u područja s velikim morskim menama,

konstruisane tako da uhvate kinetičko kretanje nadirućih morskih mena, kako bi pokretale

turbine, a one rotore generatora u kojim bi se proizvodila električna energija. Energija plime i

oseke ima ogroman potencijal za buduće energetske projekte, ponajviše zbog ogromnih površina

svetskih okeana [88].

Pretvaranje toplotne energije okeana u elektriĉnu energiju

Pretvaranje toplotne energije okeana u električnu energiju se zasniva na korišćenju

temperaturne razlike koja postoji izmeĎu duboke i plitke vode okeana, jer je voda na većoj dubini

hladnija. Sam princip proizvodnje električne energije je vrlo jednostavan. Topla površinska voda

koristi se za grejanje tečnosti koja ima nisku temperaturu ključanja (npr. propan), stvorena para

pokreće turbine generatora električne energije, a nakon toga se ta para hladi hladnom vodom iz

dubine okeana i time se pretvara nazad u tečno stanje. Ukupna količina energije koja se moţe

dobiti korišćenjem ovog načina pretvaranja energije je jedan do dva reda veličine veća od ostalih

metoda korišćenja energije okeana, kao što je na primer korišćenje energije talasa ili korišćenje

energije plime i oseke. Veliki problem kod korišćenja ovog oblika energije je skupa oprema i

mala ukupna efikasnost procesa. Efikasnost je zbog male temperaturne razlike izmeĎu 1 i 3%.

Glavna prednost procesa je ekološka čistoća dobijanja energije i ogromne zalihe energije koja bi

se mogla iskoristiti.

3.6 GORIVNE ĆELIJE

Gorivne ćelije pretvaraju hemijsku u električnu energiju, a kao gorivo koriste vodonik. U

njima se na elektrodama molekuli vodonika i kiseonika pretvaraju u vodu, a kroz kolo počinje da

teče električna struja. Za razliku od, na primer, motora sa unutrašnjim sagorevanjem kakvi

postoje u automobilima, ovde se dobija čista i jeftina energija, a ne postoje nusprodukti kao što

su izduvni gasovi. OslobaĎa se samo vodena para.

Gorivna ćelija se u najprostijem obliku sastoji od dve elektrode, koje su odvojene

membranom ili elektrolitom, slika 3.41. Na anodu se dovodi gorivo, vodonik, koji oksiduje. Na

katodu se dovodi oksidaciono sredstvo, kiseonik, koje se tu redukuje. Elektrode su najčešće

presvučene katalizatorom kao što je, na primer, platina, koja omogućava veću efikasnost.

MeĎutim, i ona ima svoja ograničenja, jer je nestabilna i vremenom se rastvara i gomila na

membrani pa ćelija gubi na efikasnosti i snazi. Najveći izazov naučnika danas je da pronaĎu

upravo materijal koji bi posluţio kao katalizator i učinio gorivnu ćeliju znatno efikasnijom.

40

Slika 3.41. Osnovni delovi gorivne ćelije

Goriva ćelija je ureĎaj koji stvara električnu energiju direktno iz hemijske. U principu je

vrlo slična bateriji, meĎutim goriva ćelija se nikada neće istrošiti sve dok se snabdeva sa

kiseonikom i gorivom. Gorive ćelije su čak dva do tri puta efikasnije od motora sa unutrašnjim

sagorevanjem u konverziji energije goriva u korisnu energiju, a na izlazu, daju jednosmernu

električnu energiju koja se moţe koristiti u razne svrhe.

Kao gorivo mogu se koristiti razne supstance, od vodonika, preko ugljovodonika do

alkohola, dok se kao oksidansi mogu koristiti vazduh, hlor i hlor-dioksid. Svakako kao idealna

kombinacija predstavlja se vodonik kao gorivo i vazduh kao oksidans, pri čemu se kao

nusprodukt reakcije stvara voda, dakle dobija se ekološki idealan izvor energije.

Vodonik je, kao obnovljiv izvor energije, najprivlačnije gorivo za gorivne ćelije, jer ima

odličnu elektrohemijsku reaktivnost, obezbeĎuje odgovarajuću gustinu snage za automobilsku

primenu i u toku reakcije ne proizvodi zagaĎujuće produkte.

Vodonik je najobilniji element u univerzumu, ali je više od 99% vodonika vezano u

jedinjenjima sa drugim elementima kao što je to kiseonik u vodi ili ugljenik u fosilnim gorivima.

Iako za sada u komercijalnoj upotrebi ne postoje automobili pogonjeni na gorivne ćelije,

poslednjih godina izraĎen je veliki broj prototipova, uključujući i modele Tojote i Mercedesa.

Uopšte, smatra se da bi automobilska industrija mogla da ima najviše koristi od gorivnih ćelija.

Ujedno bi njihov blagotvorni uticaj na ţivotnu sredinu tu najviše došao do izraţaja.

Vodonične gorive ćelije predstavljaju vrlo primamljivu i istovremeno izvodljivu energetsku

tehnologiju koja ima osnovnu prednost u tome da nema nikakvo zagaĎenje. One već imaju

inicijalnu primenu i predstavljaju obećavajuće rešenje za pogon automobila, slika 3.43.

Slika 3.43. Vodonične gorivne ćelije za pogon automobila

41

Na raznim stranama sveta trenutno krstari oko 100 autobusa pogonjenih na ovaj način: u

SAD, Nemačkoj, Kanadi, Kini, Britaniji, Brazilu itd. Oni su se pokazali kao znatno ekonomičniji

od autobusa na dizel, ali su još na probi.

MeĎutim, mnogi smatraju da gorivne ćelije nikada neće biti toliko napredne da automobili

koji se njima pogone zaista postanu konkurentni, a pogotovo profitabilni. MeĎutim, cena njihove

izrade polako opada pa se smatra da će ipak dobiti svoju šansu.

3.7 BIOMASA

Pojam biomasa koji je zapravo skraćenica pojma biološka masa. Biomasa predstavlja jedan

od najznačajnijih obnovljivih izvora energije, to je zajednički pojam za brojne, najrazličitije

organske materije biljnog i ţivotinjskog porekla (biljaka, ţivotinja i njihovih produkata), koje se

različitim procesima pretvaraju u druge oblike energije pogodne za dalju upotrebu.

Energija biljnog porekla predstavlja, procesom fotosinteze akumuliranu svetlosnu energiju

kojom se svetlost transformisala u hemijsku energiju. U toku fotosinteze biljke koriste ugljen-

dioksid iz vazduha i vodu u cilju stvaranja ugljenih hidrata, koji predstavljaju osnovne gradivne

elemente biomase. Na ovaj način se svetlosna odnosno sunčeva energija akumulira u hemijskim

vezama strukturnih komponenti biomase.

Sa druge strane, osnovni izvor biomase ţivotinjskog porekla je čvrsti i tečni stajnjak.

Biomasa je biorazgradljivi deo proizvoda, otpada i ostataka proizvedenih u poljoprivredi

(uključujući materije biljnog i ţivotinjskog porekla), u šumarstvu i srodnim industrijama i

domaćinstvima, kao i biorazgradljivi deo industrijskog i komunalnog otpada.

Biomasa se dobija iz biljaka, ţivotinja i gradskog otpada.

U biomasu spadaju:

- šumska (drvna) biomasa, koju čine drvo i ostaci pri seči šuma (drvno iverje, granje i

sl.);

- biomasa iz drvno-prerađivačke industrije, koju čine biorazgradljivi ostaci i otpad iz

drvno-preraĎivačke industrije koji ne sadrţe opasne supstance, kao što su ostaci i

otpad pri rezanju, brušenju, blanjanju, kao i pri drugim vrstama obrade drveta;

- poljoprivredna biomasa, koju čine ostaci iz ratarske proizvodnje (slama (pšenična),

kukuruzovina, oklasak, stabljike i sl.) kada se odvoji glavni proizvod (pšenica,

kukuruz, suncokret i sl.), zatim ostaci rezidbe u voćarstvu i vinogradarstvu (granje i

sl.), potom ostaci primarne i sekundarne prerade poljoprivrednih proizvoda (koštice,

ljuske i sl.);

- biomasa sa stočarskih i živinarskih farmi, koju čine ostaci ţivotinjskog porekla nastali

u poljoprivredi (čvrsti i tečni stajnjak (stajsko Ďubrivo)), kukuruzna silaţa, lešine

ţivotinja i sl.

- energetski zasadi, to su biljke bogate uljem ili šećerom, u velikim količinama sadrţe

ugljenik, kao što su: brzorastuće drveće i kineske trske, eukaliptus, zelene alge, topole,

vrbe, jablani i sl.

- separisana biorazgradljiva frakcija komunalnog otpada, predstavlja otpad iz

domaćinstava-kuhinja (zelena frakcija kućnog otpada), otpad iz firmi, otpad od

odrţavanja prirodne okoline (biomasa iz parkova i vrtova) i mulj iz kolektora

(prečišćivača) otpadnih voda.

- biorazgradljivi ostaci u prehrambenoj industriji, koji ne sadrži opasne supstance,

- ostaci u komercijalnoj proizvodnji riba itd.

42

- biljni i životinjski materijali korišćeni prilikom proizvodnje raznih vlakana i

hemikalija,

S obzirom na postojanje vrlo velikog broja otpadnog materijala, koji u odreĎenoj meri

sadrţi biomasu, ali pored biomase sadrţi štetne i opasne materije, razvijene zemlje pod pojmom

biomasa uglavnom definišu gorivo koje se moţe smatrati kao čisto gorivo, bez štetnih i opasnih

materija u sebi, koje se mogu naći u obojenim i na neki drugi način hemijski tretiranim drvetom,

pri procesima u drvno-preraĎivačkoj industriji.

Ne smatraju se biomasom:

- fosilna goriva (ugalj, nafta i naftni derivati, prirodni gas i uljani škriljci),

- ostaci drveta koji sadrţe polihlorovane trifenile, ţivu i druge štetne materije koje se

pri termičkom korišćenju drveta, emituju u količinama preko dozvoljenih granica;

- treset;

- papir i karton;

- tekstil;

- delovi tela ţivotinja;

- mešavina gradskog (komunalnog) čvrstog otpada;

- industrijski otpad, izuzev onog koji se podrazumeva pod biomasom;

- komercijalni otpad;

- kanalizacioni otpad

- deponijski gas i

- gas iz postrojenja za tretman kanalizacionih voda i otpadnih voda iz prehrambene i

drvno-preraĎivačke industrije koje ne sadrţe opasne materije.

Prvi i najstariji izvor energije koji su ljudi koristili je biomasa, to je obnovljivi izvor

energije koji se danas široko koristi i koji doprinosi zaštiti naše okoline, kao i generalno,

otvaranju novih radnih mesta i ukupnom razvoju gradova, opština i cele drţave.

Istorijski gledano, biomasa je bila osnovni izvor energije za čovečanstvo, uglavnom u

obliku drveta koje se koristilo za grejanje i spremanje hrane, dok su industrijskom revolucijom

primat preuzela fosilna goriva.

U Srbiji se biomasa uglavnom upotrebljava na tradicionalan način i to u vidu energije za

grejanje, kuvanje ili zagrevanje tople vode. Pored ovih vidova upotrebe, biomasa se moţe

koristiti i u kogeneracijskim postrojenjima za proizvodnju električne i toplotne energije, potom

kao sirovina za proizvodnju biogoriva, a moţe se koristiti i u industriji za proizvodnju vlakana i

hemikalija. Biomasa je jedini oblik obnovljivih izvora energije iz kojeg se mogu dobiti tečna i

gasovita goriva koja nisu fosilnog porekla.

Energetska politika EU nastoji da što pre ispravi neke pogrešne razvojne korake u primeni

biomase ili odgovarajućih tehnologija. To je uglavnom slučaj sa neodrţivom eksploatacijom

biomase, prevelikim udelom fosilnih goriva u finalnom proizvodu (usled transporta, sekundarnih

transformacija i sl.), ugroţavanja biološke raznovrsnosti vrsta, ili usled konflikta sa lancima

proizvodnje hrane. Pogotovo se intenzivno istraţuju uticaji na odrţivost proizvodnje biomase za

energiju i na emisije gasova sa efektom staklene bašte tokom celog lanca proizvodnje i

eksploatacije. Time se meĎutim unosi doza neizvesnosti u poslovanje sa biomasom, odnosno

zahteva se od učesnika u ovim aktivnostima budno praćenje novih saznanja i analiza. Veoma je

prepoznatljiv opšti pravac ka upotrebi biomase sa sve lošijim kvalitetima za dalju preradu, kao i

nastojanje da se smanji nepovoljan uticaj na lance proizvodnje hrane.

43

Jedan od najbitnijih faktora koji odreĎuju potencijalnu ulogu biomase kao izvora

energije, predstavlja jaka konkurencija koja postoji izmeĎu vrednosti biomase i zemljišta

neophodnog za njen uzgoj, što nije slučaj sa ostalim obnovljivim izvorima. Biomasa moţe da se

koristi kao hrana, Ďubrivo, za proizvodnju papirnih vlakana i kao gorivo.

Čak i meĎu derivatima biomase postoji konkurencija koja moţe da smanji njen značaj kao

potencijalnog goriva: stajnjak je vaţno Ďubrivo, papir moţe da se reciklira, ljuspice pamuka

mogu da se koriste u naftnim bušotinama, piljevina moţe da se koristi kao zaštitni sloj plodnog

zemljišta, a otpadne masti iz restorana kao hrana za domaće ţivotinje. Iako mnogi stručnjaci

smatraju da biomasa moţe da se uzgaja isključivo za energetske potrebe, njena dvostruka ili

višestruka uloga se ne moţe zanemariti uključujući i ulogu sekundarnih proizvoda ţetve.

Poslednjih godina se krenulo sa uzgajanjem brzorastućih drvenastih biljaka koje se svake

druge godine seku i daju prirast biljne mase od 12 t godišnje po hektaru nekvalitetnog zemljišta.

Iako pretvaranje u toplotnu energiju (grejanje kuća, grejanje vode) predstavlja glavni oblik

korišćenja energije drva, deo energije drva se pretvara i u električnu energiju.

Korišćenje biomase se isplati samo ako je mesto njenog nastajanja u blizini mesta njenog

korišćenja (najdalje 10-15 km), zbog cene transporta i manipulacije.

Biomasa se odnosi na organsku materiju - otpad uglavnom biljnog porekla, koji se moţe

koristiti kao gorivo. Nešto od toga uglavnom leţi svuda naokolo kao granje, lišće, ostaci orezane

ţive ograde, panjevi, ostaci useva na njivama, piljevina i kora od drveća. Sa farmi kao biomasa

moţe da se iskoristi stajnjak, od koga imamo korist za proizvodnju biogasa kao pogonskog

goriva i za proizvodnju kvalitetnog organskog Ďubriva.

1. Šumska (drvna) biomasa

Šumska (drvna) biomasa obuhvata drvnu biomasu i ostatke pri seči šuma (drvno iverje,

granje i sl.).

Osnovne karakteristike drvne biomase kao energenta iste su kao kod svakog goriva:

hemijski sastav, toplotna moć, temperatura samozapaljenja, temperatura sagorevanja, fizička

svojstva koja utiču na toplotnu moć (npr. gustina, vlaţnost i dr). Osnovna veličina za proračun

energije iz odreĎene količine drveta jeste njegova toplotna vrednost (moć). Najveći uticaj na nju

ima vlaţnost (udeo vlage), potom hemijski sastav, gustina i zdravost drveta. Za naše podneblje

vaţno je utvrditi i vrstu drveta, radi odreĎivanja njegove toplotne vrednosti, da li je listopadno ili

četinarsko, odnosno tvrdo ili meko, jer je udeo pojedinih sastojaka pri tome različit, kao i

materija koje se mogu koristiti kao gorivo.

2. Biomasa iz drvno-preraĊivaĉke industrije

Biomasu iz drvno-preraĎivačke industrije čine biorazgradljivi ostaci i otpad iz drvno-

preraĎivačke industrije koji ne sadrţe opasne supstance, kao što su ostaci i otpad pri rezanju,

brušenju, blanjanju, kao i pri drugim vrstama obrade drveta. Biomasa iz drvne industrije se

koristi kao gorivo u kotlovima i kao sirovina za proizvodnju peleta i briketa. Često je otpad koji

opterećuje poslovanje drvnih industrija mnogo jeftinije i kvalitetnije gorivo od šumske biomase

(31% teritorije Srbije), a takoĎe je daleko opravdaniji za korišćenje nego fosilna goriva.

3. Poljoprivredna biomasa

Poljoprivrednu biomasu čine ostaci iz ratarske proizvodnje (poput slame (pšenične),

kukuruzovine, oklaska, stabljika i sl.) koji se dobiju kada se odvoji glavni proizvod (pšenica,

kukuruz, suncokret i sl.), zatim ostaci rezidbe u voćarstvu i vinogradarstvu (granje i sl.), potom

ostaci primarne i sekundarne prerade poljoprivrednih proizvoda (koštice, ljuske i sl.). Znači,

poljoprivrednu biomasu čine ostaci godišnjih kultura kao to su: slama, kukuruzovina, oklasak,

stabljike, ljuske, koštice i sl.

44

Za Srbiju bi posebno bila interesantna upotreba ostataka i otpadaka iz poljoprivrede u cilju

dobijanja energije, toplotne, a i električne, posebno ako se zna da je 58% teritorije pod obradivim

površinama. Iskustva iz razvijenih zemlja, u Evropi posebno Danske, pokazuju kako se radi o

vrednom izvoru energije koga ne treba zanemariti. Na primer, nakon berbe kukuruza na njivama

ostaje kukuruzovina (stabljika sa lišćem). Pošto je prosečni odnos zrna i kukuruzovine 53%

prema 47%, proizilazi kako kukuruzovine ima pribliţno koliko i zrna. Iako je neosporno kako se

kukuruzovina mora prvenstveno vraćati u zemlju, preporučuje se zaoravanje 30% do 50%

kukuruzovine, što znači da za energetsku primenu ostaje najmanje 50%. To predstavlja značajnu

količinu, ako bi se preostala kukuruzovina iskoristila za ogrev zimi ili za sušenje poljoprivrednih

kultura i sl., uštedela bi se energija koja se koristila za tu namenu. Procenat od najmanje 50%

iskorišćenja kukuruzovine sa jedne strane se moţe činiti malim, ali za poljoprivredna područja

kao što su Semberija, Vojvodina i dr., gde se godišnja proizvodnja kukuruza meri u stotinama

hiljada tona to predstavlja jako veliki izvor energije.

4. Biomasa sa stoĉarskih i živinarskih farmi

Biomasu sa farmi ţivotinja čine ostaci ţivotinjskog porekla nastali u poljoprivredi (čvrsti i

tečni stajnjak (stajsko Ďubrivo)), kukuruzna silaţa, lešine ţivotinja i sl. Moţe se koristiti izmet

ţivotinja ili kukuruzna silaţa za anaerobnu razgradnju u digestoru i proizvodnju biogasa, iz koga

se moţe proizvoditi toplotna i električna energija, slika 3.44. Zatim, moţe se vršiti spaljivanje

lešina (npr. u preraĎivačkim farmama) itd.

Slika 3.44. Proizvodnja biogasa i biodizela

5. Energetski zasadi

Energetski zasadi su biljke bogate uljem ili šećerom, u velikim količinama sadrţe ugljenik

C, kao što su: brzorastuće drveće i kineske trske s godišnjim prinosom od 17 tona po hektaru,

eukaliptus s prinosom 35 tona suve materije po hektaru, zelene alge s prinosom od 50 tona po

hektaru i sl. U Srbiji se najviši prinosi postiţu s topolama, vrbama i jablanima. Svojstva ovakvih

energetskih zasada su:

- kratka oplodnja, veliki prinosi;

- korišćenje otpadnih voda, gnojiva i taloga (vegetacioni filteri);

- izbegavanje viškova u poljoprivrednoj proizvodnji itd.

Na toplotnu moć nedrvne biomase podjednako utiču udeo vlage i pepela. Udeo pepela u

nedrvnim biljnim ostacima moţe iznositi i do 20% pa značajno utiče na toplotnu moć.

45

3.7.1 PREDNOSTI KORIŠĆENJA ENERGIJE BIOMASE

O prednostima i nedostacima korišćenja biomase kao izvora energije u odnosu na druge

izvore energije vode se mnoge rasprave. Usprkos različitim mišljenjima, većina naučnika tvrdi da

biomasa ima mnoge prednosti u odnosu na fosilna goriva i da znatno doprinosi smanjenju ukupne

emisije ugljen-dioksida u atmosferu.

Postoji mnogo prednosti i sa ekološkog i sa privrednog aspekta koji pokazuju opravdanost

korišćenja biomase kao izvora energije, glavne su:

1. Biomasa predstavlja obnovljivi izvor energije

Što znači da se ne moţe potrošiti kao što je to slučaj sa fosilnim gorivima, jer biomasu

uglavnom sačinjavaju biljke, koje uvek mogu rasti iznova.

2. Korišćenje energije biomase doprinosi smanjenju emisije gasova sa efektom

staklene bašte, odnosno ne doprinosi globalnom zagrevanju

Iako prilikom korišćenja energije (sagorevanja) biomase dolazi do emitovanja gasova sa

efektom staklene bašte, to je znatno manje izraţeno nego prilikom korišćenja energije fosilnih

goriva. Glavna razlika u korišćenju energije biomase u odnosu na korišćenje energije fosilnih

goriva je u tome što se korišćenjem energije biomase zatvara ciklus kruţenja ugljen-dioksida.

Sagorevanjem biomase ne dolazi do povećanja koncentracije ugljen-dioksida u zemljinoj

atmosferi, jer će nastali ugljen-dioksid druge biljke potrošiti za svoj rast u neprekidnom

uravnoteţenom procesu kruţenja materije. Ovo nije slučaj sa ugljen-dioksidom nastalim

sagorevanjem fosilnih goriva, jer se tada davno akumuliran ugljen-dioksid procesom sagorevanja

emituje u atmosferu i povećava se koncentracija gasova koji izazivaju efekat staklene bašte. U

ovom slučaju nema procesa vraćanja ugljen-dioksida iz atmosfere, što znači da se radi o

jednosmernom procesu.

Tokom svog rasta biljke iz atmosfere uzimaju ugljen-dioksid, a prilikom sagorevanja

ispuštaju ga nazad u atmosferu, slika 3.45. Druge biljke tokom svog rasta uzimaju taj ispušteni

ugljen-dioksid iz atmosfere. Biomasa je deo zatvorenog ciklusa kruţenja ugljenika, ugljenik iz

biomasa koji sačinjava otprilike 50% njene mase je već deo atmosferskog ugljeničnog kruga.

Slika 3.45. Biomasa je deo zatvorenog ciklusa kruţenja ugljen-dioksida

Korišćenje biomase moţe više da pomogne u smanjenju globalnog zagrevanja u odnosu na

fosilna goriva.

46

Prilikom rasta biljke vezuju i skladište CO2 iz vazduha u sebi. Ovaj CO2 se kasnije

prilikom sagorevanja oslobaĎa i odlazi u atmosferu. MeĎutim pravoremenim zasadima i usevima

ovaj osloboĎeni CO2 ponovo vezuju novo-zasaĎene biljke i formira se krug iz koga CO2 ne

izlazi. MeĎutim ukoliko se ne planira na vreme i formiraju se novi zasadi da bi se biljke zamenile

novim, sagorevanje biomase moţe da poveća efekat staklene bašte.

Kako to da sagorevanje biomase ne povećava količinu ugljen-dioksida u atmosferi?

Tokom fotosinteze biljke uz pomoć Sunčeve energije preko lista uzimaju iz vazduha

ugljen-dioksid CO2, a kroz koren uzimaju vodu H2O i hranjive materije i pri tome stvaraju

ugljene hidrate C6H12O6 (koji predstavljaju osnovne gradivne elemente biomase) i ispuštaju

kiseonik O2, slika 3.46:

6CO2 + 6H2O + Sunčeva energija (svetlost) = C6H12O6 (glukoza /šećer/) + 6O2

Slika 3.46. Proces fotosinteze

Ovo se dogaĎa danju kada ima svetlosti. Noću kada nema svetlosti biljke samo dišu

odnosno uzimaju kiseonik O2 iz vazduha. Na ovaj način se fotosintezom deo dozračene Sunčeve

energije pretvara u hemijsku energiju uskladištenu u stvorenim organskim molekulima biomase.

Znači, energija biljnog porekla predstavlja, procesom fotosinteze akumuliranu svetlosnu energiju

kojom se svetlost transformisala u hemijsku energiju.

U suprotnom procesu, procesu sagorevanja (oksidacije) biljki (biomase) oslobaĎa se

toplotna energija uz istovremeno oslobaĎanje CO2 u istoj količini u kojoj je bio u atmosferi kada

su ga biljke uzimale:

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + toplotna energija

Tako se zatvara ciklus kruţenja ugljen-dioksida, a ne dolazi do povećanja njegove

koncentracije što je slučaj kod sagorevanja gasa i nafte. Kada se biomasa koristi kao gorivo

umesto fosilnih goriva ona ispušta istu količinu CO2 u atmosferu, kao i fosilna goriva.

Biomasa se često naziva i ugljenično neutralno gorivo, ali njeno korišćenje kao izvora

energije ipak moţe doprineti globalnom zagrevanju. To se dogaĎa kada se poremeti ravnoteţa

sečenja i saĎenja drveća, na primer kod krčenja šuma ili urbanizacije zelenih površina. Dokle god

se poštuje princip obnovljivog razvoja (zasadi se onoliko drveća koliko se poseče) ovaj oblik

dobijanja energije nema značajnijeg uticaja na okolinu.

Osnovni aspekt pri korišćenju biomase treba da bude odrţivost korišćenja. Odrţivost

korišćenja pre svega podrazumeva da količina biomase koja se koristi za dobijanje raznih vrsta

energije uvek bude manja ili jednaka prirastu količine biomase. Kada se govori

o poljoprivrednim kulturama, odrţivost korišćenja biomase treba da podrazumeva plansko i

redovno vraćanje odreĎene količine organske materije biomase (oko 30%) u zemlju u vidu

zaoravanja, jer se time odrţava ravnoteţa i postiţe se veća plodnost zemljišta. Potreba vraćanja

minerala u tlo za šumsku biomasu podrazumeva ostavljanje izvesne količine materije (najčeše

lišća ili iglica, ako je reč o četinarskim šumama) u šumskom tlu. TakoĎe, odrţivost korišćenja

47

šumske biomase podrazumeva dugoročna planiranja u pogledu pošumljavanja i eksploatacije

šumske biomase.

3. Korišćenjem biomase umesto fosilnih goriva znatno se smanjuje zagaĊenje okoline

Korišćenjem biomase umesto fosilnih goriva emisija sumpor-dioksida se smanjuje skoro na

nulu (jer biomasa sadrţi neznatne količine sumpora pa u produktima sagorevanja nema sumpor-

dioksida, koji je neizbeţan produkt sagorevanja fosilnih goriva), nema emisije ugljovodonika

(kao nepotpunih produkata sagorevanja), dok se emisija pepela u poreĎenju sa ugljem smanjuje

za 10 puta. Prilikom sagorevanja biomase dobija se tzv. čisti pepeo.

U odnosu na fosilna goriva biomasa zadovoljava kriterijum zatvorenog sistema (bar u

pogledu stvaranja ugljen-dioksida i čvrstih materijalnih produkata sagorevanja). Ulaz u proces

sagorevanja predstavlja biomasa kao gorivo i vazduh (odnosno kiseonik). Izlaz iz njega čine:

dobijena energija, pepeo i gasoviti produkti sagorevanja sa ugljen-dioksidom kao glavnim

predstavnikom. Ţivi biljni svet procesom fotosinteze vezuje taj ugljen-dioksid i uz pomoć

sunčeve energije izgraĎuje svoju masu. Čvrsti materijalni ostatak pepeo, takoĎe, kao Ďubrivo

učestvuje u izgradnji nove biljne mase. Na taj način se vrši recikliranje ugljen-dioksida i čvrstih

produkata u prirodi tako da se pri tome ne remeti postojeća ravnoteţa, a za sistem se kaţe da je

zatvoren.

4. Korišćenje energije biomase doprinosi smanjenju koliĉine otpada i otpadnih voda,

a time i smanjenju zagaĊenja životna sredine

Broj ljudi u svetu stalno raste, a time raste i problem sve veće količine otpada koju treba

zbrinuti. Trenutno velika količina otpada završava u rekama, potocima, morima i okeanima, što

doprinosi negativnom uticaju na ekologiju i ljudsko zdravlje. Veći deo ovog otpada mogao bi se

iskoristiti za proizvodnju energije iz biomase, čime bi se bacanje tog otpada direktno u prirodu

znatno smanjilo.

5. Biomasa je široko i jednostavno dostupan izvor energije

Čak se i najveći protivnici korišćenja biomase kao izvora energije, slaţu da je biomasa

široko i jednostavno dostupan izvor energije. Biomasa postoji u odreĎenom obliku gde god

pogledamo, a time i mogućnost proizvodnje energije gotovo bilo gde. Ovo je svakako jedna od

najvećih prednosti biomase u odnosu na tradicionalna fosilna goriva.

6. Energija akumulirana u biomasi je hemijske prirode pa u njenoj eksploataciji

nema prekida rada, kao što je to sluĉaj sa solarnom ili energijom vetra

Sa ovog aspekta, biomasa ima više karakteristike fosilnih goriva nego obnovljivih izvora,

sa razumljivim razlogom, jer su fosilna goriva u stvari fosilni oblik biomase.

7. Korišćenje energije biomase doprinosi otvaranju novih radnih mesta

8. Korišćenje energije biomase doprinosi većim ulaganjima u poljoprivredu i

ekonomskom razvoju ruralnih (nerazvijenih) sredina

Znači, glavna prednost korišćenja energije biomase u odnosu na korišćenje energije

fosilnih goriva jeste manja emisija štetnih gasova i otpadnih voda. Dodatne su prednosti

sakupljanje i korišćenje otpada i ostataka iz poljoprivrede, šumarstva i drvne industrije, ulaganje

u poljoprivredu i nerazvijena područja i povećanje sigurnosti snabdevanja energijom i smanjenje

uvoza energenata.

Mnogi stručnjaci se slaţu da će s ekonomskog i ekološkog stanovišta biomasa biti dugo

visoko na listi najboljih mogućih izvora energije. Kao što je poznato, fosilna goriva neće trajati

večno i kada svet potroši njihove zalihe biomasa će postati još atraktivniji izvor energije. Zbog

navedenih razloga, biomasa dobija sve više na značaju kao resurs za proizvodnju energije.

48

3.7.2 NEDOSTACI KORIŠĆENJA ENERGIJE BIOMASE

Pored navedenih prednosti korišćenja energije biomase, postoje i odreĎeni nedostaci, kao

što su:

- teškoće sa sakupljanjem, pakovanjem i skladištenjem biomase,

- periodičnost nastanka biomase,

- mala zapreminska masa i toplotna moć biomase svedena na jedinicu zapremine,

- razuĎenost u prostoru,

- nepovoljan oblik i visoka vlaţnost,

- visoke investicije u postrojenja za preradu, pripremu i sagorevanje biomase i sl.

Povećanje korišćenja energije biomase u Republici Srbiji može se postići sledećim

aktivnostima:

- Potrebno je uspostaviti odnos cena energenata koji neće davati prednost uvoznim

energentima i električnoj energiji. Poraţavajuće je da je poslednjih godina u seoskim

domaćinstvima sve značajnija upotreba električnih termoakumulacionih peći, jer cena

električne energije i komfor to omogućavaju.

- Potrebno je zajedničko angaţovanje domaće privrede i istraţivačkih institucija na

demonstracionim projektima, što bi bilo izuzetno značajno za osvajanje pojedinih

tehnologija i znanja iz oblasti korišćenja energije biomase.

- Potrebno je stvoriti uslove da poljoprivredna gazdinstva što više koriste ostatke

sopstvene biomase za proizvodnju energije za sopstvene potrebe, odnosno stimulisati

organizovanje što više energetski nezavisnijih farmi.

- Potrebno je otvoriti pitanje promene strukture poljoprivredne proizvodnje u procesu

prilagoĎavanja uslovima Evropske zajednice, koja se moţe orijentisati i na

proizvodnju brzorastućih biljaka pogodnih za proizvodnju energije.

Jedan od ključnih faktora koji značajno utiče na formiranje cene biomase kao goriva je

koncentracija biomase, tj. da li je biomasa koja se koristi za proizvodnju energije već prikupljena

zbog potreba osnovnog procesa ili je biomasu neophodno prikupljati po terenu samo za

energetske potrebe. Potrebno je naglasiti da postoje mesta gde se ostaci biomase javljaju kao

nusproizvodi osnovnog proizvodnog procesa, što znači da je cena ostataka biomase jednaka nuli,

a da se istovremeno kao energent za dobijanje toplote koristi uvozno tečno gorivo ili čak

električna energija.

Pored parcijalnog interesa svakog potrošača da koristi što jeftinije gorivo, postoji opšti

interes, koji se moţe odnositi na region, drţavu ili globalno. Interes poljoprivrednih regiona ili

regiona bogatih šumom je da se što više razviju delatnosti koje su u direktnoj ili indirektnoj vezi

sa poljoprivredom i šumarstvom, što podrazumeva korišćenje ostataka biomase u energetske

svrhe, kako bi se smanjila potrošnja uvoznih tečnih goriva, električne energije ili uglja. Sličan

interes bi morala da ima i drţava. Time se radno sposobno stanovništvo zadrţava u seoskim

područjima, u slabo naseljenim regionima i industrijski nedovoljno razvijenim regionima.

3.7.3 KORIŠĆENJE ENERGIJE BIOMASE

Energija biomase se moţe koristiti na više načina:

za proizvodnju toplotne energije (sagorevanjem čvrste biomase), koja se koristi za

grejanje, pripremu sanitarne tople vode, spremanje hrane, za razne tehnološke procese

u industriji, za proizvodnju električne energije itd. Najpoznatiji i najrašireniji način je

korišćenje drvene biomase za grejanje u domaćinstvima.

49

za proizvodnju biogoriva:

za proizvodnju čvrstih biogoriva

za proizvodnju tečnih biogoriva (bioetanola, biometanola i biodizela).

Evropska unija predloţila je da se do 2020 godine 10% tradicionalnih

dizelskih i benzinskih goriva zameni sa biogorivima, ali uz strogi respekt

prema faktorima biološke raznolikosti i odrţivog razvoja u ovom polju.

za proizvodnju gasovitih biogoriva i to:

za proizvodnju biogasa. Biogas se proizvodi anaerobnim postupcima iz

biomase. Biogas se proizvodi fermentacijom otpada poput tečnih

gnojiva koja se koriste u poljoprivredi ili iz nekih drugih organskih

otpadaka. Biogas se moţe upotrebiti za grejanje ili za proizvodnju

električne energije. Pročišćeni, biogas se moţe upotrebiti i kao

gasovito biogorivo.

za proizvodnju sintetičkog gasa. Sintetički gas je gas koji nastaje

pirolitičkom razgradnjom biomase i separisane frakcije komunalnog

otpada.

Energija biomase se procesom sagorevanja direktno pretvara u toplotnu energiju, koja se

moţe koristiti za grejanje i spremanje hrane u domaćinstvima, za razne tehnološke operacije u

industriji, za proizvodnju električne energije u malim termoelektranama itd. Energija biomase se

moţe relativno jednostavno pretvoriti u druge povoljnije oblike energije, kao što su tečna goriva

za pogon vozila (bioetanol, biometanol i biodizel) ili gas (biogas, sintetički gas). TakoĎe,

biomasa se moţe koristiti i za proizvodnju hemikalija i bioplastičnih materijala.

Osnovni problem u korišćenju energije biomase jeste velika vlaga biomase i niska

energetska vrednost po jedinici mase. Prerada biomase se vrši sa ciljem dobijanja pogodnijeg

oblika za transport, skladištenje i upotrebu.

Biomasa se moţe konvertovati (pretvoriti) u druge povoljnije oblike energije na više

načina:

termičko-hemijskom konverzijom (sagorevanjem),

mehaničkom konverzijom i

biohemijskom preradom.

3.7.3.1 TERMIĈKO-HEMIJSKA KONVERZIJA BIOMASE

Termičko-hemijska prerada biomase podrazumeva direktno pretvaranje energije biomase u

toplotnu energiju procesom sagorevanja. Sagorevanjem čvrste biomase oslobaĎa se toplotna

energija, koja se moţe koristiti u domaćinstvima za grejanje prostorija, zagrevanje vode i

pripremu hrane, kao i za proizvodnju vodene pare koja se moţe koristi u industrijskim

postrojenjima ili za dobijanje električne energije u malim termoelektranama napravljenim za

korišćenje biomase kao goriva.

U zavisnosti od vrste, vlaţnosti i krupnoće komada biomase razlikuje se više tehnologija

sagorevanja, kao što je: klasična tehnologija sagorevanja na rešeci (nepokretnoj, pokretnoj, kosoj

i stepenastoj), sagorevanje u letu, sagorevanje u mehurastom fluidizovanom sloju i

cirkulacionom fludizovanom sloju. Najčešće korišćeni oblici biomase koja se koristi za

proizvodnju toplotne energije procesom sagorevanja su šumska (drvena) biomasa, otpad i ostaci

iz drvne industrije, slama i razni poljoprivredni otpad, komunalni i industrijski otpad koji je

biorazgradljiv i sl.

U čvrstu biomasu čijim se sagorevanjem oslobaĎa toplotna energija spadaju:

50

- šumska (drvna) biomasa (uključujući i brzorastuću šumu), koju čine drvo i ostaci pri

seči šuma (drvno iverje, granje i sl.);

- biomasa iz drvno-prerađivačke industrije (briketi, peleti i sl.), koju čine

biorazgradljivi ostaci i otpad iz drvno-preraĎivačke industrije koji ne sadrţe opasne

supstance, kao što su ostaci i otpad pri rezanju, brušenju, blanjanju, kao i pri drugim

vrstama obrade drveta (npr. piljevina);

- poljoprivredna biomasa, koju čine ostaci iz ratarske proizvodnje (poput slame,

kukuruzovine, oklaska, stabljika i sl.) kada se odvoji glavni proizvod (pšenica,

kukuruz, suncokret i sl.), zatim ostaci rezidbe u voćarstvu i vinogradarstvu (granje i

sl.), potom ostaci primarne i sekundarne prerade poljoprivrednih proizvoda (koštice,

ljuske i sl.);

- brzorastuća šuma,

- deo selektovanog komunalnog otpada,

- životinjski materijali korišćeni prilikom proizvodnje raznih vlakana i hemikalija itd.

Istorijski gledano, čvrsta biomasa je bila osnovni izvor energije za čovečanstvo, uglavnom

u obliku drveta koje se koristilo za grejanje i spremanje hrane, dok su industrijskom revolucijom

primat preuzela fosilna goriva. I pored toga biomasa danas učestvuje sa 15% u ukupnoj potrošnji

energije, a značajno je da je ovaj udeo znatno veći u zemljama u razvoju nego u

industrijalizovanim zemljama.

Biomasa se moţe iskoristiti na više načina, najpoznatiji i najrašireniji način je korišćenje

drvene i poljoprivredne biomase za proizvodnju toplote za grejanje prostora i spremanje hrane u

domaćinstvima. Pored ostalog moţe se koristiti i za proizvodnju električne energije.

Ogromne količine biomase kao ostataka iz poljoprivredne proizvodnje se ne koriste ili što

je još gore spaljuju se na poljima. U Evropi postoji veći broj proizvoĎača kotlova koji kao gorivo

koriste slamu, kukuruzovinu, sojinu slamu i stabljike suncokreta.

Goriva su materijali koji sagorevanjem oslobaĎaju toplotu. Osim toga, goriva treba da

ispune i sledeće zahteve:

- da proizvode veliku količinu toplote za kratko vreme,

- da se nalaze u prirodi u dovoljnim količinama,

- da u prirodnom stanju ne sadrţi velike količine negorivih materija,

- da mogu lako i jeftino da se dopreme do korisnika,

- da ne menjaju bitno svojstva i da su bezbedna tokom eksploatacije,

- da produkti njihovog sagorevanja nisu opasni po okolinu itd.

Najvaţnije karakteristike goriva su:

- hemijski sastav (gorivo se sastoji od: C, O, H ,N, S, od čega su sagorivi C, H, S),

- toplotna moć,

- temperatura sagorevanja,

- ponašanje goriva u toku procesa sagorevanja itd.

Toplotna moć goriva se definiše kao odnos količine osloboĎene toplote pri potpunom

sagorevanju goriva i mase goriva iz koje je toplota osloboĎena:

H=Q/mg

gde je:

51

H, kJ/kg – toplotna moć goriva,

Q, kJ – količina osloboĎene toplote

mg, kg – masa goriva

U opštem slučaju, gorivo se sastoji od gorivog dela i balasta (negorivog dela). Vlaga,

zajedno sa mineralnim materijama, čini tzv. spoljni balast. Vlaga umanjuje toplotnu moć goriva,

jer se za njeno isparavanje troši deo toplote nastao sagorevanjem goriva. Shodno tome, razlikuje

se gornja i donja toplotna moć goriva.

Korišćenje ĉvrste biomase u kombinaciji sa solarnom energijom za proizvodnju

toplotne energije za grejanje staklenika

Primer korišćenja čvrste biomase u kombinaciji sa solarnom energijom za proizvodnju

toplotne energije za grejanje prostorija, odnosno staklenika, prikazan je na slikama 3.51. i 3.52.

Toplotna energija se dobija pomoću solarnih kolektora, a ako ta količina toplote nije dovoljna

onda se sagorevanjem čvrste otpadne biomase iz poljoprivrede (reznice voća i vinograda), drveta

ili peleta (šumskih ili poljoprivrednih) u kotlu oslobaĎa toplotna energija.

Slika 3.51. Korišćenje biomase (peleta) u kombinaciji sa solarnom energijom za proizvodnju

toplotne energije za grejanje zgrada

Slika 1. Korišćenje biomase u kombinaciji sa solarnom energijom za proizvodnju toplotne energije

za grejanje plastenika

52

Korišćenje biomase u postrojenjima za kogeneraciju

Postoje postrojenja za kogeneraciju na piljevinu, slamu, kukuruzni otpad, ljusku

suncokreta, koštice od voća i drugi bio-otpad, koja sluţe za kombinovanu proizvodnju električne

i toplotne energije iz biomase. Postrojenje koje se sastoji iz visokopritisnog parnog kotla u

kombinaciji sa parnom turbinom i generatorom donosi velike uštede kao i mogućnost prodaje

viška električne energije, slika 3.53.

Slika 3.53. Korišćenje čvrste biomase za istovremenu proizvodnju toplotne i električne energije

(kogeneraciju); 1-skladište goriva, 2-gorivo, 3- transport goriva, 4-loţište sa rešetkom, 5-

pregrejač, 6-otpepeljivanje, 7-zagrejač vazduha/vode, 8-izlaz pepela, 9-sekundarni vazduh, 10-

primarni vazduh, 11-multiciklon, 12-elektrofilter, 13-recirkulacija dimnih gasova, 14-ekshaustor,

15-dimnjak, 16-voda, 17-hemijska priprema vode, 18-rezervoar vode, 19-napojni rezervoar, 20-

rezervoar kondenzata, 21-parna turbina, 22-izmenjivač toplote, 23-kondenzator, 24-tehnološke

operacije

Kao nusprodukt, na izlazu iz parne turbine se pojavljuje topla voda koja moţe biti

korišćena za grejanje ili tehnološke procese, a postoji i mogućnost oduzimanja tehnološke pare

potrebnog pritiska sa same turbine. Vrlo je značajna činjenica da se sa jednim postrojenjem za

kogeneraciju mogu pokriti i potrebe tehnoloških procesa, grejanja i proizvodnje električne

energije i na taj način se praktično potpuno energetski osamostaliti.

3.7.3.2 MEHANIĈKA KONVERZIJA BIOMASE

Biomasa se mehaničkom konverzijom moţe konvertovati (preraditi) u brikete i pelete, koji

su mnogo povoljniji za transport i skladištenje.

Iako postoje različite vrste peleta i briketa, prvenstveno se prilikom korišćenja ovih

pojmova misli na drvene brikete i pelete. I briketi i peleti su po svom sastavu isti, oni su u stvari

mleveno presovano drvo, ali postoji razlika u njihovoj veličini. Reč „briquet“ na engleskom

jeziku znači cigla ili opeka, jer briket moţe da bude u obliku opeke (prizme), ali moţe da bude i

u obliku cilindričnog valjka. Reč „pellet“ na engleskom znači loptica, kuglica ili valjak.

Pelet, slika 3.54., je posebno aktuelan jer se u specijalnim pećima koristi potpuno

automatizovano tako da je korisniku isto da li je kotao na prirodni gas ili na pelet. Za razliku od

drvenih cepanica, iza njega ostaje izuzetno malo pepela.

53

Slika 3.54. Pelet

Pelet je u suštini mleveno i presovano drvo. U njima gotovo da i nema vlage, do oko 10%

maksimalno, koja je potrebna kako bi peleti zadrţali svoj oblik, odnosno da se ne bi raspadali na

piljevinu. Drvna masa koja se koristi za njihovu izradu vrlo često je otpadna masa iz drvne

industrije, iako postoji sve više pogona koji pretvaraju „sveţe“ drvo u pelete, što pokazuje sve

veću financijsku isplatljivost ovog goriva. Drvo koje se koristi za izradu peleta je različito, tako

da neki proizvoĎači koriste hrast, bukvu i jasen, grab, topolu i lipu, drugi koriste jelu i smreku.

Sagorevanjem peleta postiţu visoki pozitivni ekološki efekti - emisija relativno čistih

dimnih gasova bez sumpora i ugljen-dioksida, uz neznatan ostatak pepela (oko 1%).

Trţište peleta je još veoma neravnomerno u EU – dok doţivljava pravi bum u Švedskoj,

Nemačkoj, Austriji i Italiji, u nekim drugim zemljama je još potpuno nepoznati proizvod.

Briket, se dobija sabijanjem (presovanjem pomoću prese) pod visokim pritiskom usitnjenog

(mlevenog) lignocelulzonog materijala u kompaktni oblik, pogodan za dalju manipulaciju i

korišćenje. Briket ima daleko veću zapreminsku masu nego materijal biomase od koga je

napravljen.

Briket za grejanje osim veoma visoke kalorijske vrednosti odlikuje se i odsustvom štetnih

gasova i neznatnim ostatkom pri sagorevanju (pepelom), prilagodljivošću svim vrstama peći,

ekonomskom isplatljivošću i brojnim drugim prednostima, koje briketu sa pravom daju epitet

čistog goriva.

Pelet je u stvari sitniji briket proizveden isključivo od piljevine, visoke kalorične vrednosti.

Briket se moţe praviti od najkvalitetnijeg tvrdog drveta (hrasta, bukve, jasena) i bez lepka. Briket

moţe biti različitog oblika, slika 3.55.

Slika 3.55. Različiti oblici briketa