Koja energetska postrojenja smatramo … postrojenjima mogu se smatrati i ona koja kao ... (npr. komunalni ili industrijski otpad, ... obnovljivi energent

NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA

Koja energetska postrojenja smatramo konvencionalnim, a koja nekonvencionalnim?• Nekonvencionalna postrojenja su ona postrojenja koja, do

svjetske energetske krize početkom sedamdesetih godina prošlog stoljeća, u energetskoj opskrbi civiliziranog svijeta nisu sudjelovala ili su sudjelovala neznatno i ponegdje, ili je tada njihovo korištenje bilo zapušteno, a ranije su se koristili.

- Nekonvencionalna energetska postrojenja- Nekonvencionalni izvori energije

✤ prema energetskom izvoru govorimo o postrojenjima koja koriste:- biomasu!- bioplin!- sunčevu (solarnu) energiju!- geotermalnu energiju!- vjetar!- vode!

✤ sva ova postrojenja koriste obnovljive izvore energije✤ pojedina uključuju neki oblik transformacije toplinske energije✤ nekonvencionalnim postrojenjima mogu se smatrati i ona koja kao

energetski izvor koriste druge izvore energije (npr. komunalni ili industrijski otpad, nekonvencionalnu naftu)!

✤ neki drugi oblici termoenergetskih postrojenja se također smatraju nekonvencionalnim: MHD generatori, gorive ćelije, termoelektrični generatori



Energetska postrojenja na biomasu

Biorazgradivi dio proizvoda, otpada i ostataka u poljoprivredi (uključujući biljne i životinjske sastojke), šumskoj i srodnim industrijama kao i biorazgradivi dio industrijskoga i kućanskoga komunalnoga otpada.

✤ kruta biomasa:- drvna (šumska) biomasa;- otpadna biomasa (drvna industija);- zeleni otpad (uređivanje površina);

✤ tekuća biomasa:!- tekuća biogoriva (biodiesel, bioetanol)


Tehnologije korištenja biomase u TE postrojenjima

✤ izgaranje krute biomase u ložištima TE postrojenja- samostalno- suizgaranje s fosilnim gorivima

✤ izgaranje bioplina u kotlovima, plinskim motorima i turbinama✤ izgaranje plina nastalog rasplinjavanjem krute biomase✤ izgaranje biodiesela u motorima i plinskim turbinama✤ izgaranje biodiesela u ložištima

- samostalno- suizgaranje s fosilnim gorivima

Legenda:1 - izgaranje u stabilnome sloju 4 - izgaranje u cirkulirajućem fluidiziranome sloju2 - izgaranje u mjehurastom fluidiziranome sloju 5 - izgaranje u letu3 - izgaranje u tlačnom fluidiziranome sloju


Tehnologije korištenja krute biomase u TE postrojenjima

✤ Biomasa se po sastavu sastoji od celuloze, hemiceluloze i lignina✤ Izgaranje drvne biomase je složeni proces (sušenje, piroliza/uplinjavanje,

izgaranje krutog ugljika i oksidacija volatila - plinova✤ U pravilu izgaranje se vodi stupnjevano - primarni i sekundarni (ponekad i

tercijarni) zrak da bi se postiglo što potpunije izgaranje


INICIJALNO ZAGRIJAVANJE

OTPUŠTANJE VOLATILA

IZGARANJE KOKSNOG OSTATKA

ZRAK ZA IZGARANJE

ČESTICA GORIVA

CxHyOzNwSq

PRODUKTI IZGARANJA

CO O2

N2, O2

CxHyOzNwSq + O2 CO + CO2 + H2O + SO2 + N2

CO + O2 CO2

PLINOVITA FAZA

TOPLINA

TOPLINA

TOPLINA

Model izgaranja čestice drvne biomase



Prednosti i nedostaci drvne biomase u odnosu na ugljen

✤ Visok udio vlage✤ Složena struktura, nejednolik kemijski sastav✤ Problem dobave i transporta✤ Problem usitnjavanja (izgaranje u letu)✤ Viši udio dušika✤ Niža ogrjevna vrijednost

✤ Obnovljivi izvor✤ Široko dostupna✤ Smanjena emisija CO2


Bioetanol i biodizel• Etanol (alkoholno gorivo) • Sirovina: (šećerna trska, melasa, kukuruz, drvo, poljoprivredni

ostaci)• Postupak proizvodnje:

1) Hidroliza škroba (enzimi), u šećer 2) Fermentacija šećera (kvasac), u etanol (do 10%)3) Destilacija etanola do (95%)

• Za proizvodnju metanola mogu se koristiti sirovine s visokim udjelom celuloze kao što je drvo i neki ostaci iz poljoprivrede. Sirovina se najprije konvertira u plinoviti međuproizvod iz kojeg se sintetizira metanol.

• Etanol i metanol se mogu koristiti u motorima s unutarnjim izgaranjem uz dodatak benzina ili kao potpuna zamjena (zahtjeva modifikacije na motoru)

• Biodizel (Metil-ester) - Standardizirano je tekuće nemineralnogorivo, neotrovan, biorazgradivi nadomjestak za mineralno gorivo, a može se proizvoditi iz biljnih ulja, recikliranog otpadnog jestivog ulja ili životinjske masti procesom esterifikacije, pri čemu kao sporedni proizvod nastaje glicerol (glicerin).

• Svojstva slična motornim gorivima (miješanje ili uporaba u čistom obliku):

NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJAa1

Prednosti biodizela• Bolja mazivost - značajno produžava radni vijek motora,• Smanjenje onečišćenja okoliša (CO2 emisija),• Ne sadrži sumpor ni teške metale, • Moguća proizvodnja u kućnoj radinosti, • Viši cetanski broj – lakša zapaljivost,• Neopasan za okoliš, jer se dospjevši u tlo razgradi nakon 28 dana,

(Jedna litra nafte zagadi gotovo milijun litara vode)

• Veći udio dušika,• Iziskuje preinake na motoru.



Izvor:http://www.aweres.net/Preuzmi/OIE_biomasa.pdf

✤ Bioplin nastaje iz biomase pogodne za anaerobnu digestiju (AD) ili razgradnju organske tvari bez prisutnosti zraka i predstavlja obnovljivi energent.

AD je biokemijski proces u kojem se kompleksni organski spojevirazgrađuju djelovanjem različitih vrsta bakterija u anaerobnimuvjetima (bez prisustva zraka).✤ Prikladna sirovina (supstrat) za AD su organske tvari:

- stajsko gnojivo, gnojnica- otpad i nusproizvodi iz prehrambene industrije: klaonički

otpad, sirutka, masti s hvatača masti, stari kruh, itd.- ostaci pri pripremi i konzumiranju hrane u restoranima- energetski usjevi- organski dio komunalnog otpada- otpadni mulj


Bioplin

✤ Svojstva i sastav bioplina ovise o tipu supstrata, načinu proizvodnje (vrsti postrojenja), temperaturi na kojoj se odvijao proces, trajanju retencije (zadržavanja), volumenu digestora i ostalim čimbenicima.

✤ Prosječna toplinska vrijednost bioplina je oko 21 MJ/mm3,

prosječna gustoća iznosi 1,22 kg/Nm3 (s 50% udjela metana). ✤ Prosječan sastav bioplina je:


„Plava energija” – Energija morske vode

Korištenjem polupropusnih membrana između slane i slatke vode. • Metoda osmoze – PRO metoda (engl. Pressure Retarded Osmosis) • Metoda povratne elektrodijalize – RED metoda (engl. Reversed Electrodialysis)

Statkraft – Prototip PRO elektrane Norveška, 2009.

RedStack – Prototip RED elektrane Nizozemska, 2014.



Energija valova

Obnovljivi izvor – Djelovanje vjetra na morsku površinu.Iskoristivost ovisi o lokaciji:– Učestalost i energija valova: Mediteran 3 kW/m, Sjeverni Atlantik 90 kW/m; – Energija valova veća na otvorenom moru -> skuplja izgradnja + problem prijenosa

el. Enegije;

Elektrana na valove Islay LIMPET , ŠkotskaSnage 500 kW


Energija plime i oseke• Plima i oseka su posljedica djelovanja Sunca i Mjeseca;• Potencijal ovisi o lokaciji;• Srednja amplituda plime na oceanskim širinama manja je od 1 m, a

energetsko iskorištavanje plime i oseke ekonomski je opravdano ako je amplituda veća od 2 m;

• Brane s dvosmjernim propuštanjem vode (turbine kroz koje voda može strujati kako u jednom tako i u drugom, suprotnom smjeru) –tehnologija slična konvencionalnim hidroelektranama;

• Prednost ovakvih elektrana je jeftina, čista i obnovljiva energija. • Glavni nedostaci su veliki troškovi izgradnje, malo pogodnih

lokacija za izgradnju, velik utjecaj na okoliš.• Veliki kapitalni troškovi s dugim vremenom izgradnje do 10

godina čine ju komercijalno neatraktivnom.


Osnovni principi rada sustava s MHD generatorom• Direktna pretvorba toplinske energije plina u električnu

djelovanjem magnetskoga polja na strujni tok ionizirana plina (plazme) pod visokim temperaturama (2500-3000 0C);

• Teoretski je proces sličan Joule/Brayton-ovom procesu u plinskoj turbini. Stlačeni ionizirani plin (plazma) adijabatski ekspandira kroz MHD kanal (difuzor) gdje se usporava djelovanjem elektromagnetske sile (kod plinske turbine se unutar lopatica kinetička energija plina pretvara u mehaničku);

• Nema pokretnih dijelova;• Teoretska iskoristivost procesa proizvodnje električne energije je

oko 50 %;• Zbog visoke izlazne temperature plinova potrebna je rekuperacija

toplinske energije (kogeneracija ili kombinirani proces s parnim ciklusom), čime se dodatno povećava ukupna energetska iskoristivost;



Princip energetskoga sustava s magnetohidrodinamskim generatorom (MHD)

Shema energetskoga sustava s magnetohidrodinamskim generatorom (MHD)


Tehnički problemi MHD generatora• Vrlo visoke radne temperature, te uslijed toga problem tehničko -

komercijalne izvedivosti;• MHD generator proizvodi istosmjernu struju pa je potreban

pretvarač (invertor), što povećava složenost i troškove;• Za postizanje visokih temperatura izgaranja potreban je kisik ili zrak

obogaćen s kisikom; potreban je sustav za proizvodnju kisika;• Potrebno je koristiti materijal za pospješivanje ionizacije plina (soli

alkalnih metala cezija, kalija ili natrija) što povećava pogonske troškove;

• Potrebno je magnetsko polje vrlo visoke gustoće koje ima velike gubitke s konvencionalnom izvedbom magneta. Rješenje je u razvoju super-provodljiva magneta pri visokim temperaturama, što je tehnički problem koji je još u fazi razvoja;

• Zbog navedenih problema, ovaj energetski sustav je još u fazi razvoja i nije u komercijalnoj primjeni.


SUSTAV S GORIVIM ĆELIJAMA

Gorive ćelije: transformacija kemijske energije goriva (plina) uz oksidacijsko sredstvo u električnu i toplinsku energiju elektrokemijskom reakcijom bez klasična izgaranja.

Energetski sustav s gorivim ćelijama se u principu sastoji od: sustava za dobivanja vodika iz prirodna plina pomoću vodene pare i

topline, što se odvija prema jednadžbiCH4 + 2H2O + toplina → CO2 + 4H2

sklopa odgovarajućeg broja gorivih ćelija uređaja za pretvaranje istosmjerne u izmjeničnu struju (inverter) sustava za rekuperaciju toplinske energije (proizvodnju tople vode i

vodene pare).


Princip rada gorive ćelije


Podjela gorivih ćelija prema radnoj temperaturi i vrsti elektrolita:niskotemperaturne (oko 200 0C);srednjotemperaturne (500-700 0C);visokotemperaturne (oko 1000 0C).

VRSTA ELEKTROLITA

RADNA TEMP. (0C)

Kruti polimer 80Lužina 100Fosforna kiselina 200Tekući karbonat 650Kruti oksid 1000

Vrste elektrolita za gorive ćelije


Prednosti gorivih ćelija: vrlo visoka iskoristivost energije goriva;

40% u električnome dijelu, 25-45% u toplinskome dijelu, ukupno 65-85%;

nema pokretnih (rotirajućih) dijelova; zanemarivo onečišćenje okoliša; zanemariva buka.

Nedostaci gorivih ćelija: visoka cijena po jedinici instalirane snage; tehnička izvedivost za relativno male snage (do 500 kW); tehničko-tehnološka neusavršenost (još u fazi razvoja).


• Spajanje manjih jezgri u veću• Fuzija u središtu Sunca i zvijezda:

Temperatura u centru Sunca oko 16 miliona °CDovoljno kinetičke energije da približi protone (nadvlada odbojnu elektrostatsku silu) za nastanak deuterija (D) i onda helija (He)

FuzijaNEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA

• Jezgra helija (He) je lakša od sume 4 protona!• Razlika masa: 4,029 – 4,0015 = 0,0276 a.m.u. (engl. atomic mass unit)

- 0,7% mase transformira se u energiju prema E=mc2

- Razlika iznosi 4,58∙10-29 kg (1 a.m.u. je 1,6605∙10-27 kg) - Pomnoženo s c2 daje 4,12∙10-12 J- 1 mol (6,022∙1023 čestica) → 2,5∙1012 J/mol- Tipična kemijska reakcija daje 100–200 kJ/mol- Nuklearna fuzija daje ~20 miliona puta više energije!- približno 630 GJ/g- 46 kJ/g za benzin.

Bilanca fuzijeNEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA

• Prvi kandidat za fuzijske uređaje je D-T reakcija• Potrebno je postići i održavati temperaturu od desetak

miliona kelvina• Problem održavanja plazme – elektromagnetsko

ograničavanje• Problem materijala (visoke temperature i veliki fluks brzih

neutrona)• Komercijalna primjena nije moguća prije sredine stoljeća a

i onda će biti ograničena na uski krug zemalja


Najčešće se spominje reakcija deuterija (D) i tricija (T) kao fuzijska reakcija koju je najlakše ostvariti na Zemlji:

D + T He4 + n + (17,6 MeV) 1MeV = 1,6∙10-13 JProblemi:Otpušteni neutron se lako veže na druge jezgre (npr. stjenke reaktora) i time stvara radioaktivne izotope. Tricij, za razliku od deuterija nije dostupan u prirodi, radioaktivan je s kratkim vremenom poluraspada (t1/2=12,3 god.) Oba problema se djelomično mogu riješiti koristeći otpušteni neutron u reakciji s litijem (Li):

Li6 + n T + He4 + (4,8 MeV)Ostale moguće reakcije:

D + D He3 + n + (3,2 MeV)D + D T + H + (4,03 MeV)D + He3 He4 + H + (18,3 MeV)


• Praktično neiscrpan izvor jeftine energije (velike rezerve D i Li)

• Nema emisije stakleničkih plinova

• Smanjena proizvodnja radioaktivnog otpada u odnosu na fisiju

• Povoljna sigurnosna svojstva (nema rizika od nekontrolirane reakcije)

Razlozi za razvoj fuzije


• Temperatura u području od 107 - 108 K!• Na temperaturi 104-105 K, materija je u stanju plazme (ionizirani

globalno neutralni plin).• Stvaranje, održavanje i ograničavanje plazme na visokim

temperaturama:– ograničavanje magnetskim poljem;– grijanje radio-valovima visokih frekvencija te ubacivanjem snopova neutralnih čestice velike energije. ITER-International Thermonuclear Experimantal Reactor -Internacionalni projekt (EU, Indija, Rusija, Kina, J. Korea, Japan i SAD) grade najveći nuklearni fuzijski reaktor u svijetu tipa TOKAMAK, snage 500 MWe.Wendelstein 7-X, Max-Planck Institut za fiziku plazme (IPP), Njemačka. Fuzijski reaktor tipa Stellarator dovršen 2015.g.

Uvjeti za izvedbu fuzijskog reaktora


Documents

Koja energetska postrojenja smatramo … postrojenjima mogu se smatrati i ona koja kao ... (npr. komunalni ili industrijski otpad, ... obnovljivi energent