Modernizacija školskih kurikuluma u skladu s promjenjivim potrebama tržištarada/gospodarstva

ZELENE VJEŠTINE ZA ELEKTROTEHNIKU I STROJARSTVO

OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJESkripta

Prof.dr.sc. Damir Šljivac, dipl.ing.Danijel Topić,dipl.ing.

Osijek, 2013.

1

1 OSNOVE KARAKTERISTIKE I REGULATIVA OBNOVLJIVIH IZVORAENERGIJE

1.1 Potreba za obnovljivim izvorima energije

Suvremeni elektroenergetski sustavi uglavnom su razvijeni tijekom posljednjih 50godina. Razvoj je slijedio ideju vodilju prema kojoj su veliki središnji generatori prekotransformatora injektirali električnu snagu u visokonaponsku prijenosnu mrežu. Zatimje prijenosni sustav korišten za transport snage, često i na velikim udaljenostima. Nakraju, snaga je iz prijenosnog sustava preko serije distribucijskih transformatorausmjeravana kroz srednjenaponsku i niskonaponsku distribucijsku mrežu premapotrošačima na nižem naponu.

Međutim, odnedavna se ponovno pojavilo značajno zanimanje za priključenjemproizvodnih objekata na distribucijsku mrežu. Ova je namjera poznata kaodistribuirana proizvodnja električne energije (eng. distributed or dispersed orembedded generation) [1].

Konvencionalni ustroj suvremenih elektroenergetskih sustava nudi veliki brojprednosti. Veće proizvodne jedinice mogu biti učinkovitije te su u pogonu s relativnomanjim brojem pogonskog osoblja. Povezane visokonaponske prijenosne mrežeomogućuju minimiziranje zahtjeva za snagom pričuve generatora. Veliki iznosi snagemogu biti prenijeti na velikim udaljenostima uz ograničene gubitke. Distribucijskemreže mogu se u tom slučaju projektirati za jednosmjerne tokove snaga idimenzionirati samo za potrebe potrošačkih opterećenja.

U posljednjih nekoliko godina pojavilo se više utjecaja čije je kombiniranje dovelo dopovećanog zanimanja za distribuiranu proizvodnju iz obnovljivih izvora energije (OIE)(smanjenje emisije CO2, programi energetske učinkovitosti ili racionalnog korištenjaenergije, deregulacija i natjecanje, diversifikacija energetskih izvora, zahtjevi zasamoodrživosti nacionalnih energetskih sustava…). Utjecaj na okoliš jedan je odznačajnih faktora u razmatranju priključenja novih proizvodnih objekata na mrežu.

Stvaraju se programi iskorištavanja obnovljivih izvora koji uključuju vjetroelektrane,male hidroelektrane, fotonaponske izvore, zemni plin, energiju iz otpada te izbiomase. Kogeneracijske sheme koriste otpadnu toplinu termalnih proizvodnihobjekata bilo za industrijske procese ili grijanje te su vrlo dobar način povećanjaukupne energetske učinkovitosti. Obnovljivi izvori imaju znatno manju energetskuvrijednost u usporedbi s fosilnim gorivima zbog čega su njihove elektrane manjeveličine te geografski široko raspodijeljene i priključuju se uglavnom na distribucijskumrežu.

S jedne se strane nalaze inženjeri motivirani iskustvenim spoznajama o složenostipogona elektroenergetskog sustava koji iskazuju zabrinutost u pogledu elementarneostvarivosti masovnog uvođenja nereguliranih i neupravljivih generatora uelektroenergetsko, a posebice distribucijsku mrežu. S druge se pak strane nalazeentuzijastični zagovarači izvora obnovljive energije poput vjetroelektrana ikogeneracije električne i toplinske energije (eng. combined heat and power, CHP)koji vjeruju da takve proizvodne jedinice nužno treba uvoditi u pogon kako bi seispunili domaći i međunarodni zahtjevi za smanjenjem emisije CO2.

2

Štoviše, obnovljivi izvori povećavaju samoodrživost elektroenergetskog sustava uslučajevima eventualne energetske krize u proizvodnji električne energije koja jedanas ovisna o isporuci ugljena, plina i nafte.

Slika 1. „Tri vala“ fosilnih godina i potreba za obnovljivim izvorima energije

1.2 Podjela izvora energije

Osnovni izvori energije koji se nalaze u prirodi su: energija Sunca, energija Zemlje ienergija gravitacije. S obzirom na vremensku mogućnost njihovog iscrpljivanjaprirodni (primarni) oblici energije dijele se na [2]:

a) neobnovljivi oblici energije

Fosilna goriva (ugljen, nafta, zemni plin, uljni škriljevci)

Nuklearna goriva

Unutarnja toplina Zemlje (geotermalna energija)

b) OBNOVLJIVI OBLICI ENERGIJE

Vodne snage, (energija vodotokova, morskih struja i valova, plime ioseke)

Biomasa (i bioplin, uključujući i drvo i otpatke)

Energija Sunčeva zračenja

Energija vjetra.

1.2.1 Svojstva obnovljivih izvora energije

Svojstva nekonvencionalnih izvora energije ne možemo promatrati izdvojeno odopćenito znanih svojstava konvencionalnih izvora, tek uspoređivanjem s tim

3

svojstvima možemo utemeljeno donositi kvalifikative nekonvencionalnih izvora. Nekasvojstva nekonvencionalnih izvora su poželjna a neka nepoželjna. Na slici 2prikazana su pretežno ispunjena poželjna svojstva OIE.

Slika 2. Pretežno ispunjena poželjna svojstva nekonvencionalnih izvora [3]

1.3 Zakonska regulativa o OIE

1.3.1 Direktive EU o OIE

2001. godine Europska unija usvojila je Direktivu o obnovljivim izvorima (2001/77/EC)koja predstavlja obvezu za zakonodavstva zemalja-članica EU, u smislu povećanjaudjela obnovljivih izvora u proizvodnji električne energije. U ukupnoj proizvodnjielektrične energije u 1997. godini prosječni udjel obnovljivih izvora bio je 13,9%, kojise mora u 2010. godini prosječno podići na 22,1%. U ukupne udjele prema direktiviuključene su i velike HE, iako se radi o konvencionalnom izvoru energije!

Nova direktiva 2009/28/EC, koja je donesena 2009., za promoviranje korištenjaobnovljivih izvora, ima cilj uspostaviti ukupan udio od 20 % udjela obnovljivih izvoraenergije u energetskoj potrošnji i minimalan udio od 10 % biogoriva u prijevozu EUdo 2020. godine. Još jedan od ciljeva je usklađivanje nacionalnih ciljeva svih zemaljačlanica EU. Kao referentna godina se uzima 2007. godina.

Glavni cilj direktive 2009/28/EC je tzv 3x20 do 2020. godine:

20 % manje emisije CO2

20 % obnovljivih izvora energije

20 % veća energetska učinkovitost.

Više o samoj direktivi se može naći na stranicama Europske komisije:http://ec.europa.eu/climateaction/ .

U tablici 1 prikazani su usvojeni nacionalni ciljevi udjela OIE u ukupnoj energetskojpotrošnji.

4

Tablica 1. Usvojeni nacionalni ciljevi udjela OIE u ukupnoj energetskoj potrošnji

ZemljaUdio (%) OIE u

krajnjoj potrošnji2005.

Udio (%) OIE ukrajnjoj potrošnji

2020.

Belgija 2,2 13

Bugarska 9,4 16

Češka 6,1 13

Danska 17,0 30

Njemačka 5,8 18

Estonija 18,0 25

Irska 3,1 16

Grčka 6,9 18

Španjolska 8,7 20

Francuska 10,3 23

Italija 5,2 17

Cipar 2,9 13

Latvija 34,9 42

Litva 15,0 23

Luksemburg 0,9 11

Mađarska 4,3 13

Malta 0,0 10

Nizozemska 2,4 14

Austrija 23,3 34

Poljska 7,2 15

Portugal 20,5 31

Rumunjska 17,8 24

Slovenija 16,0 25

Slovačka 6,7 14

Finska 28,5 38

Švedska 39,8 49

Velika Britanija 1,3 15

Ukupno EU-27 8,5 20,0

5

1.3.2 Zakonska regulativa OIE u Hrvatskoj i tarifni sustav

Značajan pomak u području obnovljivih izvora energije u Hrvatskoj se dogodio 22.ožujka 2007. kada je Vlada usvojila paket podzakonskih akata koji reguliraju topodručje, temeljene na dokumentima:

Strategija energetskog razvitka Republike Hrvatske (2002., 2008.)

Nacionalna strategija zaštite okoliša (NN 46/2002)

Nacionalni energetski programi i dr.

Poseban položaj OIE-a i kogeneracije definiran je i u Zakonu o energiji (NN 68/2001,177/2004) koji eksplicitno izražava pozitivan stav prema njima pa se u njegovomčlanku 14, stavku 1. izrijekom kaže da je njihovo korištenje u interesu Hrvatske.

Prema Strategiji energetskog razvitka Hrvatske (2008.), očekivani instaliranikapaciteti (snage) elektrana na OIE do 2020. i 2030. prikazani su tablici 2 [4].

Tablica 2. Očekivani instalirani kapaciteti (snaga)

Nekonvencionalni IE 2020. 2030.

Elektrane na biomasu [MW] 135 420

Elektrane na komunalni otpad [MW] 35 105

Vjetroelektrane [MW] 1200 2000

Male hidroelektrane [MW] 140 250

Geotermalne elektrane [MW] 20 30

Sunčeve elektrane [MW] 45 250

Ukupno nekonvencionalni: 1575 MW 3055 MW

2007. godine donesen je niz propisa koji se odnose na proizvodnju električneenergije iz OIE. To su sljedeći propisi [12]:

Uredba o minimalnom udjelu električne energije proizvedene iz obnovljivihizvora energije i kogeneracije čija se proizvodnja potiče (NN 33/07)

Uredba o naknadama za poticanje proizvodnje električne energije izobnovljivih izvora energije i kogeneracije (NN 33/07)

Tarifni sustav za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora energije ikogeneracije (NN 33/07)

Pravilnik o korištenju obnovljivih izvora energije i kogeneracije (NN 67/07)

Pravilnik o stjecanju statusa povlaštenog proizvođača električne energije (NN67/07).

Od tada su (u skladu s ovim propisima) svake godine donesene Uredbe o izmjeniUredbe o naknadama za poticanje proizvodnje električne energije iz obnovljivih

6

izvora energije i kogeneracije (NN 133/07, NN 155/08, NN 155/09, NN 8/11, NN144/11) kojima se za svaku godinu definira iznos Naknade za poticanje [13].

Značajnije izmjene i dopune propisa dogodile su se 2012. godine. Na dan, 6. lipnja2012. godine došlo je do usvajanja novog Tarifnog sustava za proizvodnju električneenergije iz OIE i kogeneracije (NN 63/12) kojim se uz korekciju poticajnih cijenanajveća izmjena vezana uz smanjenje poticajne cijene za sve sunčane elektrane (FNsustave ), a osobito one koje nisu integrirane u građevine [13].

19. srpnja 2012. doneseni su (NN 88/12):

Novi Pravilnik o stjecanju statusa povlaštenog proizvođača električne energijeu kojem se uz tehnički značajno preciznije definiranje energetskih pojmovauvodi i pojam jednostavnih građevina kojima se značajno pojednostavljujeprocedura osobito za male sunčane elektrane

Novi Pravilnik o korištenju OIE i kogeneracije usklađen s novim Tarifnimsustavom

31. listopada 2012. usvojene Izmjene i dopune tarifnog sustava (NN 121/12) kojimase preciziraju odredbe vezane uz kvote za sunčane elektrane (15 MW integrirane, 10MW neintegrirane), doprinos lokalnoj zajednici radi ostvarivanja dodatnih poticaja i dr.

7

2 ELEKTRANE NA BIOMASU I BIOPLIN

2.1 Vrste i osnovne značajke biomase [18]

Biomasa je biorazgradivi dio proizvoda, otpada i ostataka poljoprivredne proizvodnje(biljnog i životinjskog porijekla), šumarske i srodnih industrija. Energija iz biomasedolazi u čvrstom, tekućem (npr. biodizel, bioetanol, biometanol) i plinovitom stanju(npr. bioplin, plin iz rasplinjavanja biomase i deponijski plin).

Biomasa je obnovljivi izvor energije, a općenito se može podijeliti na drvnu, nedrvnu iživotinjski otpad, unutar čega se mogu razlikovati:

drvna biomasa (ostaci iz šumarstva, otpadno drvo)

drvna uzgojena biomasa (brzorastuće drveće)

nedrvna uzgojena biomasa (brzorastuće alge i trave)

ostaci i otpaci iz poljoprivrede

životinjski otpad i ostaci

gradski i industrijski otpad.

Glavna prednost u korištenju biomase kao izvora energije su obilni potencijali, nesamo u tu svrhu zasađene biljne kulture već i otpadni materijali u poljoprivrednoj iprehrambenoj industriji. Plinovi koji nastaju korištenjem biomase mogu se takođeriskoristiti u proizvodnji energije. Prednost biomase u odnosu na fosilna goriva je ineusporedivo manja emisija štetnih plinova i otpadnih tvari. Računa se da jeopterećenje atmosfere s CO2 pri korištenju biomase kao goriva zanemarivo, budućida je količina emitiranog CO2 prilikom izgaranja jednaka količini apsorbiranog CO2tijekom rasta biljke (slika 3) - ukoliko su sječa i prirast drvne mase u održivom odnosu– 1 hektar šumskih površina godišnje apsorbira jednaku količinu CO2 koja seoslobađa izgaranjem 88 000 litara loživog ulja ili 134 000 m3 prirodnog plina.

Međutim spaljivanje biomase stvaraju se i drugi zagađujući plinovi te otpadne vode.Samo je u velikim pogonima isplativa izgradnja uređaja za reciklažu otpada, dok umanjim to nije isplativo pa se postavlja pitanje koliko je to u ekološkom smisluprofitabilno. Osim toga, prikupljanje, transport i skladištenje biomase vrlo je skupo štoje još jedan nedostatak ove tehnologije.

Korištenje biomase omogućava i zapošljavanje (otvaranje novih i zadržavanjepostojećih radnih mjesta), povećanje lokalne i regionalne gospodarske aktivnosti,ostvarivanje dodatnog prihoda u poljoprivredi, šumarstvu i drvnoj industriji krozprodaju biomase-goriva (procjenjuje se da je u 2005. godini na poslovimaproizvodnje biomase i njenog korištenja za energiju na području Europske unije bilozaposleno preko pola milijuna ljudi).

8

Slika 3. Kumulativna CO2 neutralnost (ukoliko je sječa usklađena sa prirastom –ekološki prihvatljivo)

2.1.1 Drvna biomasa

Postoje razni načini da se iz drvne biomase dobije energija. Upotrebljava se isključivošumska biomasa (ostaci i otpad nastali redovitim gospodarenjem šumama, prostornoi ogrjevno drvo) i biomasa iz drvne industrije (ostaci i otpad pri piljenju, brušenju,blanjanju -gorivo u vlastitim kotlovnicama, sirovina za proizvode, briketi i peleti -nastaju sabijanjem, odnosno prešanjem usitnjene drvne biomase u rasutom stanjuradi transporta i automatizacije loženja, i dr. - jeftinije i kvalitetnije gorivo od šumskebiomase). Pri obradi drveta gubi se oko 35 - 40% od ulazne sirovine u procesuproizvodnje, a količina otpada za neke proizvode kao što su parketi iznosi i do 65%.

Biomasa se može izravno pretvarati u energiju jednostavnim sagorijevanjem(izgaranjem) te se tako proizvesti pregrijana vodena para za grijanje u industriji ikućanstvima ili za dobivanje električne energije u malim termoelektranama.Osnovne su značajke pri primjeni šumske ili drvne biomase kao energenta jednakekao kod svakog goriva:

kemijski sastav

ogrjevna (energetska) vrijednost

temperatura samozapaljenja

temperatura izgaranja

fizikalna svojstva koja utječu na ogrjevnost (npr. gustoća, vlažnost i dr).

Na slici 4 prikazani su načini iskorištavanja drvne biomase.

9

Slika 4. Načini iskorištavanja drvne biomase

2.1.2 Nedrvna biomasa

Osim ostale nedrvne biomase, u Hrvatskoj bi osobitu važnost mogli imati ostaci izpoljoprivrede, tj. poljoprivredna biomasa (kukuruzovina, oklasak, stabljike suncokreta,slama, ljuske, koštice višanja, ostatke pri rezidbi vinove loze i maslina, kore odjabuka...). Iskustva iz razvijenih zemalja, u Europi osobito Danske, pokazuju kako seradi o vrijednom izvoru energije koji se ne bi trebao zanemariti.

Ilustrativan je stoga sljedeći primjer. Nakon berbe kukuruza na obrađenom zemljištuostaje kukuruzovina, stablijika s lišćem, oklasak i komušina. Budući da je prosječniodnos zrna i mase (tzv. žetveni omjer) 53% : 47%, proizlazi kako biomase približnoima koliko i zrna. Ako se razluče kuruzovina i oklasak, tada je njihov odnos prosječno82% :18%, odnosno na proizvedenu 1 t zrna kukuruza dobiva se i 0,89 t biomasekukuruza što čine 0,71 t kukuruzovine i 0,18 t oklaska. Iako je neosporno kako senastala biomasa mora prvenstveno vraćati u zemlju, preporučuje se zaoravanjeizmeđu 30 i 50% te mase, što znači da za energetsku primjenu ostaje najmanje 30%.

Na ogrjevne vrijednosti nedrvne biomase podjednako utječu udio vlage i pepela. Udiopepela u nedrvenim biljnim ostacima može iznositi i do 20% pa značajno utječe naogrjevnost (npr. slama-veći udio Na, Cl, K-manja temperatura taljenja pepala-taloženje). Općenito, supstance koje čine pepeo nemaju nikakvu energetskuvrijednost (energetska vrijednost biljnih ostataka: 5,8 – 16,7 MJ/kg).

Osim ostataka i otpada postoji veliki broj biljnih vrsta koje je moguće uzgajati tzv.energetski nasadi sa velikim prinosima; kao što su brzorastuće drveće i kineske trskes godišnjim prinosom od 17 tona po hektaru, eukaliptus: 35 t suhe tvari, zelene alge sprinosom od 50 tona po hektaru, biljke bogate uljem ili šećerom, a u Hrvatskoj senajveći prinosi postižu s topolama,vrbama i jablanima.

10

2.1.3 Bioplin

Bioplin je mješavina plinova koja nastaje fermentacijom biorazgradivog materijala uokružju bez kisika. On je mješavina metana CH4 (40-75 %), ugljičnog dioksida CO2(25-60 %) i otprilike 2 % ostalih plinova (vodika H2, sumporovodika H2S, ugljikovogmonoksida CO). Bioplin je otprilike 20 % lakši od zraka i bez mirisa je i boje.Temperatura zapaljenja mu je između 650 i 750 0C, a gori čisto plavim plamenom.Njegova kalorijska vrijednost je oko 20 MJ/Nm3 i gori sa oko 60 %-om učinkovitošćuu konvencionalnoj bioplinskoj peći. [15]

Bioplin se dobiva iz organskih materijala. Podrijetlo sirovina može varirati, od stočnihotpadaka, žetvenih viškova, ostataka ulja od povrća do organskih otpadaka izkućanstava. Osim tih materijala, za proizvodnju bioplina može se koristiti i trava. Alifermentacijska postrojenja za travu moraju ispunjavati više tehničke zahtjeve odkonvencionalnih bioloških bioplinskih postrojenja, koja koriste čvrsto ili tekućegnojivo.

Postoje dva osnovna tipa organske digestije (razgradnje): aerobna (uz prisustvokisika) i anaerobna (bez prisustva kisika). Svi organski materijali, i životinjski i biljni,mogu biti razgrađeni u ova dva procesa, ali produkti će biti vrlo različiti. Aerobnadigestija (fermentacija) proizvodi ugljični dioksid, amonijak i ostale plinove u malimkoličinama, veliku količinu topline i konačni proizvod koji se može upotrijebiti kaognojivo. Anaerobna digestija proizvodi metan, ugljični dioksid, nešto vodika i ostalihplinova u tragovima, vrlo malo topline i konačni proizvod sa većom količinom dušikanego što se proizvodi pri aerobnoj fermentaciji. Takvo gnojivo sadrži dušik umineraliziranom obliku (amonijak) koje biljke mogu brže preuzeti nego organski dušikšto ga čini posebno pogodnim za oplemenjivanje obradivih površina. Anaerobnadigestija (slika 5) se odvija samo u specifičnim uvjetima među kojima su ulazna pHvrijednost ulazne mješavine između 6 i 7, potrebna temperatura od 25-35 0C teodređeno vrijeme zadržavanja mješavine u digestoru [15].

Slika 5. Proces anaerobne digestije [16]

Termokemijske tehnologije pretvorbe biomase u energiju, osim sagorijevanja, su još irasplinjavanje i piroliza.

Rasplinjavanje se provodi na visokoj temperaturi (i do 1400˚C) uz ograničen dotokkisika, čime se povećava efikasnost proizvodnje električne energije u plinskoj turbinioko 35% (moguće i do 45%), u parnom kotlu na drva oko 20%. Glavni problem kodrasplinjavanja su plinske turbine koje su vrlo osjetljive na nečistoće u plinu (čestice,

11

para) –potrebno pročišćavanje, a to je skupo. Sastav plina je CO, CH4 i H2, asvojstva ovise o dizajnu uređaja za rasplinjavanje (odozgo (protustrujno), odozdo(istostrujno) ili u sloju), temperaturi, vlažnosti i sastavu biomase, sredstvurasplinjavanja (zrak: 4-6 MJ/Nm3 ili kisik: 15-20 MJ/Nm3 ).

Piroliza je također termokemijski proces, s ograničenim dotokom kisika (druga fazasagorijevanja i rasplinjavanja), pri čemu dolazi do isparavanja hlapljivih sastojaka iproizvodnje tekućeg goriva (bio-ulja), pogodnije za transport i skladištenje (manjitroškovi). Složeni je proces: vrlo promjenjiva svojstva bio-ulja ovisno o uvjetima isirovini, ulje slično nafti. Znatan potencijal (npr. piroliza otpada), ali potrebna ulaganjau istraživanje i razvoj, za sada malo primjera komercijalnih postrojenja.

2.1.4 Alkoholna goriva (etanol)

Osnovne faze u procesu proizvodnje etanola su: priprema sirovine, fermentacija idestilacija etanola.

Priprema sirovine je zapravo hidroliza molekula škroba enzimima u šećer koji možefermentirati. Uobičajena tehnologija za proizvodnju etanola je fermentacija u peći sobičnim kvascem za proizvodnju 8 do 10%-tnog alkohola nakon 24 do 72 hfermentacije. Nakon toga slijedi destilacija tog alkohola u nekoliko faza čime sedobiva 95%-tni etanol. Za proizvodnju posve čistog etanola, kakav se koristi zamiješanje s benzinom, dodaje se benzen i nastavlja destilacija te se dobiva 99,8%-tnietanol [29].

Etanol se može proizvoditi od tri osnovne vrste biomase: šećera (od šećerne trske,melase), škroba (od kukuruza) i celuloze (od drva, poljoprivrednih ostataka). Sirovinebogate šećerima vrlo su pogodne za proizvodnju etanola, budući da već sadržavajujednostavne šećere glukozu i fruktozu koji mogu fermentirati izravno u etanol.Sirovine bogate škrobom sadržavaju velike molekule ugljikovodika koje treba razložitina jednostavne šećere procesom saharifikacije. To zahtijeva još jednu fazu uprocesu proizvodnje što povećava troškove. Ugljikovodici u sirovinama bogatimcelulozom sastavljeni su od još većih molekula i trebaju se konvertirati u šećere kojimogu fermentirati kiselom ili enzimatskom hidrolizom. Najznačajnije biljne vrste kojese uzgajaju za proizvodnju etanola su šećerna trska, slatki sirak, cassava i kukuruz[29].

2.1.5 Biodizel

Biodizel je komercijalni naziv pod kojim se metil-ester, bez dodanog mineralnogdizelskog goriva, nalazi na tržištu tekućih goriva i prodaje krajnim korisnicima.Standardizirano je tekuće nemineralno gorivo, neotrovan, biorazgradivi nadomjestakza mineralno gorivo, a može se proizvoditi iz biljnih ulja, recikliranog otpadnogjestivog ulja ili životinjske masti procesom esterifikacije, pri čemu kao sporedniproizvod nastaje glicerol [28].

Metil-ester je kemijski spoj dobiven reakcijom (esterifikacija) biljnog ulja (uljanarepica, suncokret, soja, palma, ricinus itd.) ili životinjske masti s metanolom uprisutnosti katalizatora.

Izbor osnovne sirovine za dobijanje biodizela zavisi od specifičnih uslova i prilika ukonkretnim zemljama, u Europi se za proizvodnju biodizela najviše koristi ulje uljane

12

repice (82,8%) i ulje suncokreta (12,5%), dok se u Americi najviše koristi ulje soje, au azijskim zemljama se koristi i palmino ulje [28].

2.1.6 Energija otpada

Ubrzani razvitak industrije, a osobito potrošački organizirano društvo, uzrokovali suglobalnu "ekološku" krizu, koja se u razvijenim državama očituje poglavito kaoproblem zbrinjavanja otpada. Nekontrolirano i neodgovorno odložen otpad ugrožavazdravlje ljudi i okoliš, a brojni su primjeri u kojima je dokazano oštećenje zdravlja ljudizbog neodgovornog postupanja s otpadom. Svjetska iskustva pokazuju da jeproblem otpada moguće riješiti samo cjelovitim sustavom gospodarenja.

Primarni cilj je zbrinjavanje gradskog otpada, a tek potom proizvodnja energije(iskorištavajući «zeleni dio» recikliranog kućnog otpada, biomasu iz parkova i vrtova,mulj iz kolektora otpadnih voda) jer su za to potrebni veliki investicijski troškovi (okoUS$ 4000/kW).

2.1.7 Termička obrada otpada

Korištenje energije otpada za grijanje i/ili proizvodnju električne energije jedan je odnačina za učinkovitu uporabu otpada uz, ukoliko se provodi ispravno, minimalanutjecaj na okoliš. Postupci termičke obrade otpada, poglavito u urbaniziranim - gustonaseljenim sredinama, omogućuju istovremeno neutraliziranje štetnih svojstava injegovo energetsko iskorištavanje. Postoje različite tehničke mogućnosti termičkeobrade otpada, od kojih je sagorijevanje otpada dosad najviše korišteno. Okopotrebe i mogućnosti primjene izgaranja komunalnog otpada u Hrvatskoj i svijetuprovedene su brojne rasprave.

U svijetu stalno raste broj postrojenja za termičku obradu otpada izgaranjem i ta setehnologija najviše koristi upravo u razvijenim državama. Mogućnost kogeneracijeenergije otpada, u okvirima cjelovitog sustava gospodarenja energijom, obuhvaćavrednovanje deponijskog plina kod uređenih suvremenih deponija, bioplina kodtakozvane anaerobne hladne obrade otpada i termičku obradu otpada pomoćurazličitih postupaka otplinjavanja, rasplinjavanja, sagorijevanja i različitih kombinacijatih postupaka. Proizvodnja energije iz otpada u svijetu nije rijetkost. Tako se danas uŠvedskoj otpad energetski iskorištava u 21-om postrojenju za spaljivanje, čime segodišnje zbrinjava 1,7milijuna tona otpada (oko polovice ukupne količine komunalnogotpada) [33].

2.1.8 Deponijski plin

Osim navedenog načina termičke obrade otpada, moguće je proizvoditi i bioplin izdeponijskog otpada na suvremenim uređenim deponijama procesom takozvaneanaerobne hladne obrade otpada. U industrijskim zemljama nastaje 300-400 kgsmeća godišnje po osobi.

Deponijski plin nastaje razgradnjom organskih supstanci pod utjecajemmikroorganizama u anaerobnim uvjetima. U središtu deponije nastaje nadpritisak, padeponijski plin prelazi u plinske sonde sabirnog sustava. Prosječan sastavdeponijskog plina je 35-60 % metana, 37-50 % ugljen-dioksida i u manjim količinama

13

se mogu naći ugljen-monoksid, dušik, vodik-sulfid, fluor, klor, aromatični ugljikovodicii drugi plinovi u tragovima. Ovaj koncept podrazumijeva postavljanje vertikalnihperforiranih cijevi u tijelo deponije (bunari, trnovi, sonde) i njihovo horizontalnopovezivanje. U kompresoru deponijski plin se isisava, suši i usmjerava ka plinskommotoru. Iz sigurnosnih razloga preporučuje se ugradnja visokotemperaturne bakljekoja preuzima viškove plina.

Deponijski plin sa prosječnim sadržajem metana od 50 % ima donju ogrjevnuvrijednost Hd=5 kWh/Nm3, što ga čini dobrim gorivom za pogon plinskih motoraspecijalno razvijenih za ovu namjenu. Plinski motor pokreće generator za proizvodnjuelektrične energije. Putem izmjenjivača topline, dobije se toplinska energija iz vodekoja hladi motor i ulje za podmazivanje, kao i iz ispušnih plinova. Kod kombiniraneupotrebe električne i toplinske energije postiže se visok stupanj korisnosti ovihuređaja ( el = 40%, term = 43%). Ovo znači da se iz 1 Nm3 deponijskog plina (uz Hd

= 5kWh/Nm3) dobije 2 kWh električne energije i 2,15 kWh toplinske energije.

Dobivena električna energija koristi se za vlastite potrebe ili se predaje u električnumrežu. Proizvedena toplina koristi se na deponiji za proizvodnju tople vode, ustaklenicima i plastenicima za proizvodnju ranog povrća i cvijeća, u industrijskimpogonima u blizini deponije, ili za grijanje stambenih zgrada kao i kod drugihpotrošača toplinske energije [33].

2.2 Procesi i tehnologije proizvodnje električne energije iz biomase

Osnovni procesi za proizvodnju električne energije iz biomase su [17]:

a) Istovremeno spaljivanje (co-firing) ugljena i drvne biomase, u modernimelektranama na ugljen trenutno je energetski najučinkovitiji proces (i do 45%):

b) Kogeneracija – istovremena proizvodnja toplinske i električne energije.

c) Integrirano rasplinjavanje biomase u elektranama s plinskim turbinama. Jošuvijek nije komercijalno isplativo, osim za integrirani plinski kombinirani ciklus.

d) Anaerobna digestija u proizvodnji bioplina se razvije uglavnom u malimotočnim (“off-grid”) primjenama. U HR zbog poticaja - kao male kogeneracijena mreži.

e) Biorafinerije – potencijali razvoja kombinirane isplative proizvodnjebiokemikalija, električne energije i biogoriva.

2.2.1 Istovremeno spaljivanje (co-firing) ugljena i drvne biomase

Postoje tri načina istovremenog spaljivanja ugljena i drvne biomase. To su:

Izravno (u istom kotlu/ložištu) – Najjeftinije i najčešće izvedbe.

Neizravno (prethodno isplinjavanje biomase i izmjena topline).

Paralelno (usporedno u odvojenim kotlovima/ložištima)

14

a) b) c)

Slika 6. Istovremeno spaljivanje (co-firing) ugljena i drvne biomase: izravno (a),neizravno (b) i paralelno (c) [17]

2.2.2 Kogeneracija [18]

Radi povećanja stupnja djelovanja koristi se kogeneracija – istovremena proizvodnjatoplinske i električne energije, pri čemu je potreban potrošač topline (npr. šumarskaindustrija). Male kogeneracijske elektrane su višenamjenski objekti, koji iz fosilnihgoriva i biomase postupkom kogeneracije proizvode električnu i toplinsku energiju, au određenim slučajevima proizvodi se i hladna voda za potrebe hlađenja. Goriva zapogon malih kogeneracijskih elektrana su plinovita, tekuća i kruta. Odgovarajućetoplinske snage ovise o vrsti energetskog agregata i kreću se u rasponu 20-20000kWe.

Osnovna prednost malih kogeneracijskih elektrana u odnosu na odvojenuproizvodnju električne i toplinske energije je smanjenje troškova goriva zaproizvodnju navedene energije, a time i smanjenje zagađenja okoliša. Pri odvojenojproizvodnji električne i toplinske energije moguće je postići ukupan stupanj djelovanjado 50 % (veliki gubici pri odvojenoj proizvodnji električne energije). Ukogeneracijskim postrojenjima taj ukupan stupanj djelovanja raste i do 80 %.

Pored prednosti kogenerativne proizvodnje energije, korištenjem malihkogeneracijskih elektrana (što je osobito čest slučaj kod biomase) otpada prijenos naveće udaljenosti, jer se toplina i struja proizvode okolišno prihvatljivo u težištimapotrošnje. Toplina se predaje izravno u objektu ili u obližnju toplinsku mrežu.Električna energija se također koristi u objektu, a višak se isporučuje u postojećulokalnu niskonaponsku, ili srednjenaponsku mrežu.

Prednost malih kogeneracijskih elektrana je i u modularnoj izvedbi, pa se veličinamalih kogeneracijskih objekata može prilagoditi porastu potrošnje električne itoplinske energije stupnjevitom izgradnjom odnosno dodatnim modulima. Postojećetoplane i rezervni električni agregati mogu se dograditi, odnosno rekonstruirati u malekogeneracijske elektrane. U prednosti malih kogeneracijskih elektrana mogu se jošubrojiti relativno mala dodatna ulaganja isplativa za nekoliko godina, lokacija jeredovito u okviru industrijskog ili javnog objekta što olakšava ishođenje dozvola ikratak rok izgradnje, te kratak rok izgradnje zbog modulne izvedbe.

Međutim, kogeneracija nije isplativa u svim uvjetima. Ona je isplativa zaodgovarajuću kombinaciju potrošnje električne i toplinske energije. Kako je višakelektrične energije u svakom trenutku moguće prodati elektroenergetskom sustavudo snage 5 MWe, onda je zapravo toplinsko opterećenje determinirajuće zaisplativost malih kogeneracijskih elektrana. Ako toplinsko opterećenje traje više od3000 - 5000 sati godišnje za očekivati je isplativost kogeneracije.

15

Plinskoturbinska kogeneracija

Plinskoturbinska kogeneracija zasniva se na plinskim turbinama otvorenog ciklusa,koje u sprezi s generatorom proizvode električnu energiju. Na slici 7 prikazana jeshema plinskoturbinske kogeneracije [5].

Slika 7. Plinskoturbinska kogeneracija [18]

Plinska turbina primjenjuje se kod koncipiranja malih kogeneracijskih elektrananajčešće za veće snage, iznad 1 MWe. Plinske turbine odlikuju se: velikomučinkovitošću, malo zagađenje okoliša, velika pouzdanost, niska cijena izgradnje,potreban mali prostor, mogućnost modulne izvedbe, kratko vrijeme do pune snage. Utablici 3.4. prikazane su značajke plinskoturbinskih agregata za kogeneraciju.

Termomotorna kogeneracija

Termomotorna kogeneracija zasnovana je na motorima s unutarnjim izgaranjem (ottoi dizel), koji u sprezi s generatorima proizvode električnu energiju, a korištenjemotpadne topline ispušnih plinova i rashladne vode proizvode i toplinu u obliku vrelevode i/ili pare. Na slici 8 prikazana je shema termomotorne kogeneracije.

Termomotori se primjenjuju u širokom rasponu snaga od 10 kWe do nekoliko MWe.Temperaturna razina korisne topline za primjenu termomotora je do maksimalno115°C, a najpovoljnije je oko 80°C. Pozitivne osobine kao na primjer: visokaučinkovitost (do 50 %), velika pouzdanost, lako održavanje, mala težina i potrebniprostor, paketna izvedba, dobro ponašanje kod djelomičnih opterećenja, te kratkovrijeme do pune snage, dovele su do brzog prodora termomotora u područjekogeneracije.

Termomotori za male kogeneracijske elektrane se pojavljuju u dvije osnovne izvedbe:plinski motori i dizel motori. Plinski motori najčešće se primjenjuju za manje jedinice,a koriste sve vrste plinovitih goriva od prirodnog plina do raznih vrsta bioplina. Umalim kogeneracijskim elektranama se primjenjuju dvije vrste plinskih motora:modificirani automotori i industrijski plinski motori.

16

Slika 8. Termomotorna kogeneracija [18]

Parnoturbinska kogeneracija

Parnoturbinska kogeneracija zasniva se na protutlačnim ili kondenzacijsko-oduzimnim parnim turbinama, koje u sprezi s električnim generatorom proizvodetoplinsku i električnu energiju. Za proizvodnju toplinske energije koristi se toplina odkondenzacije pare, koja bi se inače morala odvesti rashladnom vodom. Na slici 9 jeprikazana parnoturbinska kogeneracija.

Slika 9. Parnoturbinska kogeneracija [18]

17

3 VJETROELEKTRANE

3.1 Energija vjetra

Sva obnovljiva energija dolazi od sunca. Sunce prema Zemlji zrači 1015 kWh početvornome metru. Oko 1 do 2 posto energije koja dolazi od sunca pretvara se uenergiju vjetra. To je primjerice od 50 do 100 puta više od energije pretvorene ubiomasu od svih biljaka na Zemlji. Zbog zemljine rotacije, svaka kretnja na sjevernojpolutki je usmjerena prema desno. Ta pojava iskrivljena sile je poznata kaoCoriolisova sila. Na sjevernoj polutki vjetar ima smjer rotacije obrnutu smjeru kazaljkena satu kako se približava području niskog tlaka. Na južnoj polutki vjetar ima smjerrotacije u smjeru kazaljke na satu oko područja niskog tlaka. Vjetro-turbina dobivaulaznu snagu pretvaranjem sile vjetra u okretnu silu koja djeluje na elise rotora.Količina energije koju vjetar prenosi na rotor ovisi o površini kruga koji čini rotor uvrtnji, brzini vjetra i gustoći zraka. Pri normalnom atmosferskom tlaku pri temperaturiod 15°C zrak teži otprilike 1.225 kg/m3, ali se povećanjem vlažnosti i gustoćapovećava. Također vrijedi da je zrak gušći kada je hladniji nego kad je topliji. Navisokim nadmorskim visinama tlak zraka je niži, pa je zrak rjeđi. Vjetroturbinaiskrivljuje putanju vjetra i prije nego što vjetar dođe do elisa rotora. To znači da se nemože iskoristiti sva energiju iz vjetra.

3.1.1 Snaga i energija vjetra i vjetroelektrane

Slika 10. Vjetroelektrana [8]

Energija vjetra je kinetička energija ovisna o kvadratu brzine vjetra [19]:

2

2

1mvW (1)

Maksimalna teorijska energija vjetra računa se nadalje kao [19]:

3322 625,02

1

2

1

2

1AvAvVvmvW (2)

18

Gdje je:

ρ – gustoća zraka (približno 1,25 kg/m3)

A – površina rotora vjetroelektrane (volumen V = A·v)

v – brzina vjetra

Dakle, maksimalna teorijska energija vjetra ovisi o brzini vjetra na treću potenciju.Ukupna kinetička energija zraka ne može se sva iskoristiti, jer zrak mora dalje strujatida bi načinio mjesta onome koji dolazi, pa je moguće iskoristiti samo energiju koja jeproporcionalna razlici brzina vjetra na treću:

321 )(625,0 vvAW (3)

Maksimalnu snaga koja se može dobiti pogonom pomoću vjetroturbine izkonstrukcijskih razlogaiznosi 16/27 odnosno 0,59259 od teoretske maksimalnemoguće snage vjetra. Uzmemo li u obzir i maksimalni stupanj djelovanja zračneturbine je 0.65, te stupanj djelovanja generatora 0.8, za maksimalnu energijuvjetroelektrane vrijedi:

3

3

193,0

625,08,065,027/16

vAW

vAW

(4)

Teorijski dakle, iskoristi se samo 31% (0,193/0,625) kinetičke energije vjetra zaproizvodnju električne energije u vjetroelektranama [19].

Često se za proračun energije umjesto površine uvrštava promjer (D) turbine:

332 10152,0 vDW (5)S obzirom na gornja razmatranja poznavanje brzine vjetra ima osnovnu važnost zaocjenu mogućnosti iskorištavanja vjetra u energetske svrhe. Brzina vjetra je jakopromjenjiva, pa je stoga potrebno mjeriti brzinu vjetra kako bi se mogle odreditikrivulje frekvencija (statistika vjetra). Budući da je snaga vjetra, pa tako i snagavjetroelektrane, ovisna o trećoj potenciji brzine vjetra stoga čak i mala promjenabrzine vjetra može biti značajna. Također s porastom visine raste i brzina vjetra.Zbog toga se vjetroturbine postavljaju na visoke stupove. Izraz koji se često koristi zaopisivanje promjene brzine vjetra s promjenom visine je [8]:

0o

Hv v

H

(6)

Gdje je:

v – brzina vjetra [m/s] na visini H [m]

v0 – referentna brzina vjetra [m/s] na visini H0 (najčešće je to visina od 10 m)

α – koeficijent trenja koji ovisi o površini terena na kojoj se mjeri brzina vjetra.

Osim izraza (6) koji se češće koristi u SAD-u, postoji i izraz koji se češće koristi uEuropi [2].

19

0

ln

lno

H zv v

H z (7)

Gdje je:

z - duljina hrapavosti [m]

U tablici 3 su prikazane vrijednosti koeficijenta trenja za pojedine vrste terena.

Tablica 3. Vrijednosti koeficijenta trenja za pojedine vrste terena [2]Karakteristika terena Koeficijent trenja α

Glatki ravni teren, mirna voda 0,10Tereni visokom travom na ravnoj površini 0,15Tereni s visokim usjevima, živicama i grmljem 0,20Pošumljeni krajolici s gustim drvećem 0,25Mali gradovi s drvećem i grmljem 0,30Veliki gradovi s visokim zgradama 0,40

U tablici 4 su prikazane vrijednosti duljine hrapavosti za pojedine vrste terena.

Tablica 4. Vrijednosti duljine hrapavosti za pojedine vrste terena [2]Razred

hrapavosti Opis terena Duljina hrapavostiz (m)

0 Vodne površine 0,00021 Otvorene površine sa samo nekoliko manjih prepreka 0,03

2 Poljoprivredna zemljišta s preprekama udaljenim minimalno 1km. 0,1

3 Urbana područja i poljoprivredna zemljišta s puno prepreka 0,44 Gusta urbana ili šumovita područja 0,6

3.1.2 Razdiobe brzine vjetra

Za opisivanje brzine vjetra isprobane su brojne razdiobe, no samo su dvije u uporabiza opis brzine vjetra. To su Weibullova i Rayleighova razdioba. Ove razdiobe dajuslabiju procjenu na snage za manje srednje brzine vjetra. Pri većim brzinama vjetraove dvije razdiobe daju zadovoljavajuću procjenu brzine vjetra. Rayleighova razdiobaje jednostavnija jer ovisi samo o jednom parametru tj. o srednjoj brzini.

Rayleighova razdioba je predstavljena izrazom (8):

2

exp2 4a a

v vF v c

v v

(8)

Gdje je:

F(v) – učestalost pojave povezane sa svakom brzinom vjetra

v – srednja brzina razreda Δv

20

Δv – širina razreda ili bin-a

va – prosječna (srednja) brzina vjetra

Weibullovom funkcijom najbolje se aproksimiraju prikupljeni podatci. Funkcija dajevjerojatnost pojave pojedinih brzina vjetra tijekom nekog perioda. Weibullovarazdioba je opisana s dva parametra, parametrom oblika k i parametrom mjere c.Parametar k je bezdimenzionalna veličina dok parametar mjere c ima jedinicu [m/s].Weibullova razdioba je predstavljena izrazom (9):

1

expk k

k v vF v v

c c c

(9)

Slika 11. Weibull-ova i Rayleigh-ova razdioba

21

3.2 Krivulja snage vjetroelektrane

Graf koji prikazuje ovisnost izlazne snage vjetroelektrane o brzini vjetra naziva sekrivulja snage. Vjetroelektrane se uključuju pri brzinama vjetra od oko 3 do 5 [m/s] i tabrzina se naziva brzina uključenja vjetra. Brzina isključenja vjetroelektrane je oko 25[m/s].

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25Brzina vjetra [m/s]

Izla

zna

snag

a[k

W]

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

Krivulja snage za VT Vestas V90 – 3,0MW

2400

2600

2800

3000

Slika 12. Ovisnost snage vjetrogeneratora o brzini vjetra [20]

S promjenom brzine vjetra mijenja se i obujam energije vjetra. Koliko se energijevjetra pretvori u električnu energiju govori nam koeficijent snage. Efikasnost turbina jemalo veća od 20%, ali ipak se ona mijenja s promjenom brzine vjetra. Energija vjetraodgovara trećoj potenciji brzine vjetra.

3.3 Podjela vjetroelektrana i dijelovi vjetroelektrana

3.3.1 Podjela vjetroelektrana

Općenito postoje dva tipa vjetroelektrana, odnosno može ih se podijeliti premapoložaju osi vrtnje, a to su vjetroelektrane s okomitim i vodoravnim smjerom vrtnje.

22

Obično vjetroelektrane imaju vodoravno postavljenu os vrtnje i zbog toga se nazivajuvjetroelektrana s vodoravnim osi ili VSHO (eng. HAWT). Vjetroelektrane s okomitomrotorom manje su poznate i rjeđe se koriste i nazivaju se vjetroelektrane s okomitomosi vrtnje ili VSVO (eng. VAWT). Na slici 13. prikazane su vjetroelektrana s okomitomi vjetroelektrana s vodoravnom osi.

Vjetroelektrane s okomitim rotorom se rjeđe koriste. Većina vjetroturbina savodoravnom osovinom koriste mehanizam koji pomoću elektromotora i prijenosa držiturbinu zakrenutu prema smjeru dolaska vjetra. Tornjevi za velike turbine mogu bitiokrugli čelični, rešetkasti, ili betonski. Uski okrugli tornjevi se koriste za male zračneturbine. Velike zračne turbine se izvode sa okruglim čeličnim tornjevima, koji seproizvode u dijelovima od 20 – 30 metara koji se spajaju na mjestu postavljanjaturbine. Promjer tornja se povećava prema temelju, da bi povećali čvrstoću i uštedilina materijalu. Rešetkasti tornjevi se izvode varenjem čeličnih profila. Osnovnaprednost ovih tornjeva je u cijeni, pošto se koristi upola manje materijala a postiže seista čvrstoća.

Slika 13. Vjetroelektrane s vodoravnim i okomitim osovinama [11]

S obzirom na mjesto postavljanja vjetroelektrane se dijele na one koje se postavljajuna kopnu i one na morskoj pučini. S obzirom na snagu uobičajena je podjela namale (1 do 30 kW), srednje i velike (30 do 1500 kW), te one ne pučini (>1500 kW)

Male se koriste obično na dalekim izoliranim mjestima, pri čemu postoji velikaraznolikost rješenje. Vjetroelektrane srednje i velike snage obično rade na mreži, kaosamostalne ili u grupi (vjetroparkovi). One instalirane snage veće od 650 kW danassu su komercijalne i proizvode se u velikim serijama. Vjetroelektrane na pučini moguimati instaliranu snagu i do nekoliko stotina MW, trenutno su u razvoju, a glavnazapreka je velika cijena postolja.

23

3.3.2 Osnovni dijelovi vjetroelektrana

Osnovni dijelovi vjetroelektrane prikazani su na slici 14.

Slika 14. Osnovni djelovi vjetroelektrane [6]

1. Vitlo

2. Spona za vitlo

3. Lopatice ili elise

4. Navoj za regulaciju kuta zakreta lopatice (pitch regulacija)

5. Glava rotora

6. Glavni navoj

7. Glavna osovina

8. Mjenjačka kutija

9. Diskovi kočnice

10.Spojke

11.Servisna dizalica

12.Generator

24

13.Meteorološki senzori

14.Ležaj za zakretanje turbine

15.Prsten za zakretanje turbine

16.Toranj

17.Nosiva platforma kućišta

18.Krovna platforma

19.Uljni filter

20.Ventilator generatora

21.Hladnjak ulja

3.4 Generatori u vjetroelektranama

Budući da vjetar predstavlja izrazito promjenjivi energetski resurs koji se ne možeuskladištiti, potrebno je utvrditi uvjete pogona sustava za pretvorbu energije vjetra uelektričnu energiju. Općenita shema djelovanja vjetroelektrane prikazana na slici 15obuhvaća elemente koji se projektiraju obzirom na tri oblika energije: energiju vjetra,mehaničku energiju te električnu energiju.

Vjetroturbina koja može imati jednu ili više elisa, služi za transformaciju energijevjetra u mehaničku energiju. Ako se u obzir uzmu razina buke i vizualni efekt,izvedba s tri elise predstavlja najčešće rješenje. Pored toga, dinamikom rotora s trikraka je najlakše upravljati. Inercijski moment trokrakog rotora prema tornju nemijenja se tijekom okretanja. To rezultira manjim problemima uslijed oscilacija negokod jednokrakih i dvokrakih rotora. Uz to je i optički mirniji zbog okretanja na manjojbrzini. Oko 90% vjetroturbina koje se trenutno koriste u svijetu imaju trokraki rotor.

Spoj između vjetroturbine i električnog generatora ostvaren je pomoću mehaničkespojke koja uobičajeno u sebi uključuje mjenjačku kutiju s prijenosnikom pomoćukojeg se niža brzina vrtnje rotora vjetroturbine prilagođava višoj brzini vrtnje rotorageneratora. Da bi se kinetička energija rotora uz pomoć generatora pretvorila uelektričnu, bila bi potrebna brzina rotora od 1 500 okretaja u minuti (rpm). Budući dase rotor okreće brzinom od 30-50 rpm, potrebna je upotreba prijenosnika. Sprijenosnikom se pretvara spora rotirajuća sila (visokog okretnog momenta) u brzurotaciju (niskog okretnog momenta) koja je potrebna za rad generatora. Postotakiskoristivosti energije je 98%, a gubitak energije koji nastaje uslijed trenja zupčanikaprijenosnika manifestira se u obliku topline i buke.

25

Slika 15. Shema djelovanja vjetroelektrane [7]

3.4.1 Izbor generatora za vjetroelektranu

U vjetroelektranama se uobičajeno koriste dvije vrste generator, a to su sinkroni iliasinkroni generatori. Ovisno o priključku na mrežu razlikujemo vjetroelektrane sstalnom brzinom vrtnje koje su izravno priključene na mrežu i vjetroelektrane spromjenjivom brzinom vrtnje.

a) Vjetroelektrane s stalnom brzinom vrtnjeU koliko je vjetroelektrana priključena na krutu mrežu (opisuje je velika naponska ifrekvencijska krutost) onda se najčešće koriste asinkroni generatori. Njihova glavnaprednost je u jednostavnoj i jeftinijo konstrukciji, dok ima je nedostatak taj što morajuimati kompenzacijske uređaje (kondezatorske baterije) i priključni uređaj (eng. soft-starter) kako bi se omogućila početna sinkronizacija s mrežom.

Sinkroni generatori se najčešće koriste kod otočnog pogona. Ovim generatorimapotreban je uzbudni sustav i regulator brzine koji će održati napon i frekvencijukonstantnim. Kod vjetroelektrana nazivnih snaga većih od 500 kW treba imati sustavza regulaciju zakretanja elisa propelera, pa se spomenuti sustav ne izvodi u svimjedinicama. Ovdje su potrebni uzbudni sustav i regulator brzine koji će održavatinapon i frekvenciju. Ovakvi generatori ne mogu se pronaći u komercijalnimizvedbama sa stalnom brzinom u pogonu na krutu mrežu.

b) Vjetroelektrane s promjenjivom brzinom vrtnje

Ovaj tip vjetroelektrana u koliko se spaja na mrežu zahtjeva stalnu frekvenciju pa suzbog toga potrebni pretvornici frekvencije. Stoga razlikujemo više izvedbivjetroelektrana s promjenjivom brzinom vrtnje a to su:

Sinkroni generator s pretvaračem u glavnom strujnom krugu

Asinkroni generator s pretvaračem u glavnom strujnom krugu

26

Asinkroni generator s upravljivim promjenjivim klizanjem

Asinkroni generator s nadsinkronom ili podsinkronom pretvaračkom kaskadom

3.4.2 Način priključenja vjetroelektrana na mrežu

Tablica 5. Način priključenja vjetroelektrana na mrežu [7]

ASINKRONI GENERATOR SINKRONI GENERATOR

Izravno priključenje na mrežu

(1 )s fn

p

s=0...0,08

Potrošač induktivne jalove snage

Izravno priključenje na mrežu

fn

p

Upravljiva izlazna jalova snaga

Mrežni priključak putem DC veze

0,8...1, 2f

sp

Upravljiva izlazna jalova snaga uzodgovarajući pretvarač

Mrežni priključak putem DC veze

0,5...1, 2f

sp

Upravljiva izlazna jalova snaga uzodgovarajući pretvarač

Dinamički upravljivo klizanje

(1 )s fn

p

s=0...0,1...0,3

Potrošač induktivne jalove snage

Mrežni priključak putem DC veze, bezmjenjačke kutije

0,5...1, 2f

sp

Upravljiva izlazna jalova snaga uzodgovarajući pretvarač

27

Asinkroni generator s dvostranimnapajanjem

Sinkroni generator s permanentimmagnetima priključen putem DC veze

0,5...1, 2f

sp

Upravljiva izlazna jalova snaga uzodgovarajući pretvarač

3.5 Kriteriji priključenja vjetroelektrane na mrežu

Priključenje vjetroelektrana na elektroenergetsku mrežu je značajan problem obziromna to da vjetroelektrane mogu bitno utjecati na stabilnost sustava i kvalitetu električneenergije u mreži. Kriteriji priključenja se definiraju u obliku Mrežnih pravila zavjetroelektrane (eng. wind grid codes). Iako se Mrežna pravila ne izrađuju na načinda isključe ili diskriminiraju određenu vrstu generatora, njihove su odredbe običnodefinirane imajući u vidu konvencionalne termoelektrane i hidroelektrane.Vjetroturbinski generatori se znatno razlikuju od sinkronih generatora zbog čega seuobičajeno izrađuju dvije vrste Mrežnih pravila za vjetroelektrane; jedna se vrstaodnosi na njihovo priključenje na prijenosni sustav (nazivni napon ≥ 110 kV), a drugana distribucijski sustav (nazivni napon ≤ 35 kV).

Postoji mnogo tehničkih kriterija priključenja vjetroelektrana na mrežu koji se uzimajuu obzir zbog što kvalitetnije integracije vjetroelektrana u elektroenergetski sustav, kaošto su:

Iznos frekvencije, Iznos napona, Stanje u uvjetima kvara, Kvaliteta isporučene električne energije i Zahtjevi obzirom na signale, komunikacije i upravljanje.

Ovih pet glavnih kriterija se smatra ključnim područjima za ispravan pogon i vođenjevjetroelektrana u pripadajućem elektroenergetskom sustavu. Detaljnije o uvjetimapriključka vjetroelektrana na mrežu može se naći u [21].

28

4 MALE HIDROELEKTRANE

4.1 Energija vode

Energija položaja vode obnovljiva je zahvaljujući Sunčevoj energiji koja neprestanoodržava hidrološki ciklus. Uobičajeno je različito vrednovanje velikih i malihhidroelektrana kada je riječ o utjecaju na okoliš. Premda sveobuhvatna istraživanjanisu dostupna uvriježen je pogled da se korištenje energije položaja vode u malimpostrojenjima smatra ekološki prihvatljivijim. No, i za velika postrojenja se smatra daje njihov višestruki negativni utjecaj na okoliš nadomještava doprinos smanjenjuemisije stakleničkog plina CO2.

Osnovna razmatranja vezana za snagu i energiju HE se ne mijenjaju s veličinompostrojenja. Snaga i energija koju nosi sa sobom promjena položaja vodene masemože se izraziti preko Bernoullijeve jednadžbe za jednodimenzionalno stacionarnostrujanje bez vrtloženja uključujući trenje preko iznosa gubitaka. Često se uhidromehanici koristi Bernoullijev izraz u kome su svi elementi izraženi preko visina[2] :

m.2

2

konsthg

ch

g

pr

(10)

Gdje je:

g

p

- visina tlaka

h – geodetska visina

2g

2c- visina brzine

hr – visina gubitaka

Praktično je sve gubitke prikazati kroz gubitke visine ili stupanj djelovanja. Energijavode ovisi o promjeni položaja i o djelotvornosti pretvorbe. Posebno je zanimljiv izrazza energiju (i snagu) koji sadrži protok vode. Izraz 11 prikazuje energiju promjenepoložaja vode iz kojeg se može odrediti raspoloživa snaga u funkciji protoka i netopada (visine, izraz 12) [2].

ghdtAvmghWt

0

(11)

ghQAvQghAvdt

dWP (12)

Znamo li stupanj djelovanja za neku HE pri određenom protoku i neto visini možemoizračunati njenu snagu [2]:

][81,9 kWQhQhgP uu (13)

29

Važno je naglasiti ovisnost neto visine o protoku obzirom na profil ispred i iza zahvataHE te ovisno o biološkom minimumu i preljevu. Slika 16 ilustrira krivulju trajanjasnage HE u ovisnosti o protoku kroz postrojenje, padu i ukupnom protoku. Slikauključuje i ovisnost stupnja djelovanja o protoku koji određuje produkt stupnjevadjelovanja vezanih za gubitke na zahvatu, dovodu i odvodu, te za gubitke u turbini.Najznačajniji gubitci u turbini ovise o vrsti turbine i to je u nastavku dodatno opisano.Snagu HE, kod pojedinog protoka, moguće je stoga precizno odrediti samo ako sepoznaju navedene ovisnosti gubitaka o protoku. Računanje ukupne energije je prematome integral snage kroz određeno vremensko razdoblje:

hdtQWt

0

81,9 (14)Kod proračuna ukupne energije mogu se postavljati različita pojednostavljenja, kodkojih treba uzeti u obzir da je HE uvijek dimenzionirana za neku nazivnu snaguodnosno da ima instalirani određeni protok (točka nazivnih parametara u ilustracijidolje). Računanje snage i energije HE sa protokom koji premašuje instaliranuvrijednost daje krive rezultate.

Slika 16. Ilustracija krivulje trajanja snage u ovisnosti o protoku kroz postrojenje,padu i ukupnom protoku [11]

4.2 Turbina i generator male HE

Turbina i generator predstavljaju dvije najvažnije aktivne komponente HE. Principidjelovanja i izbor turbine i generatora slični su kao i za velike HE. Značajna je razlikau tom što se za MHE turbine i generatori ne proizvode posebno za svaku izvedbu. ZaMHE postoji veliki izbor gotovih vrsta i veličina turbina i generatora.

30

4.2.1 Turbina

Voda u pokretu prolaskom kroz turbinu prenosi mehaničku energiju na osovinu.Ovisno o uvjetima koji vladaju oko lopatica turbine postoji veliki broj različitih izvedbida bi se postigla efikasnija pretvorba energije. Najpoznatije turbine kod velikihpostrojenja su Pelton, Francis i Kaplan. Za mala postrojenja postoji veliki brojdodatnih izvedbi od kojih je poznatija Michel-Banki (s poprečnim tokom). Turbine zaMHE se rade serijski, a postoje i primjene s pumpama zbog ekonomičnosti.

Razlika turbina u principu djelovanja odražava se na optimalni raspon protoka ipadova za stupanj djelovanja. Slika 17 prikazuje područje primjene različitih vrstaturbina prema protoku i padu. Uočljivo je da poznate vrste turbina pokrivaju područjeprimjene za velika i mala postrojenja. Turbine s poprečnim protokom i Turgopokrivaju područje padova i protoka za male HE (isto vrijedi i za veliki broj različitihvrsta turbina koje nisu prikazane na slici).

Slika 17. Područje primjene različitih vrsta turbina – prema protoku i padu [11]

Za velike padove najprimjerenija je Pelton turbina (kod MHE od 20 m). Kod srednjevelikih padova primjerena je Francis turbina (od 3 do 600 m). Na malim padovima iza veće protoke najbolje je koristiti Kaplan turbinu (za vertikalnu izvedbu od 10 do 60m, a za horizontalnu od 2 do 20 m). Turbina s poprečnim protokom (Michel-Banki) sekoristi kod padova od 1 do 200 m. Vidljivo je da se područja primjene uvelikepreklapaju te se odluka o izboru temelji na ekonomskim i drugim tehničkimparametrima. Svaka turbina ima maksimalan stupanj djelovanja pri instaliranomprotoku (ili u blizini). Ovisno o vrsti turbine stupanj djelovanja se manje ili višesmanjuje sa smanjivanjem protoka vode. Slika 18 prikazuje promjenu stupnjadjelovanja za odabrane turbine. Vidljivo je da Kaplan i Pelton turbine imaju stupanjdjelovanja koji je dobar i stabilan u velikom rasponu protoka. Ovakva karakteristikaima svoju cijenu.

31

Slika 18 Promjena stupnja djelovanja turbina u ovisnosti o protoku vode [11]

Brzina vrtnje turbine opčenito je ovisna najprije o izvedbi, a potom o padu i protokuvode. Vezu između specifičnog broja okretaja ns jedinične modelne turbine i brojaokretaja turbine koja ima protok Q i pad H prikazuje izraz 15.

4/3

2/1

H

Qnns (15)

Za Pelton turbinu specifični broj okretaja ide do 30, Francis ima ns od 20 do 120, kodKaplan (vertikalne) to je od 180 do 260 i za Michel-Banki specifični broj okretaja ideod 30 do 210.

Michel-Banki turbina ima posebnu izvedbu dotoka ilopatica da može raditi na trećini i na dvije trećine protokas karakteristikom efikasnosti kao da radi na nazivnomprotoku. Na slici 18 je to ilustrirano s Qo/3 i 2Qo/3krivuljama efikasnosti. Time se za turbinu s poprečnimprotokom postiže optimalan stupanj djelovanja kroz cijeliopseg protoka vode: voda ide preko cijele turbine kada jeprotok veći od 2/3 nazivnoga, za protoke ispod trećinenazivnog voda ide samo preko odvojenog dijela trećinepresjeka turbine i na kraju za protoke između voda seusmjerava na drugi dvotrećinski dio presjeka turbine.

Pelton turbinu odlikuje rad sa slobodnim mlazom vode(akcija energije položaja vode pretvorena u konetičkuenergiju) pri približno atmosferskom tlaku. Kod izvedbi sviše mlazova situacija s tlakovima je nešto složenija.Male Pelton turbine mogu raditi ekonomično već i sprotocima od 30 l/s uz pad od 20 m. Da bi se smanjiloaksijalne sile kod većine modernijih izvedbi lopatice

2Q/3

Q/3

Q

D

a

32

turbine su oblikovane tako da razdvajaju mlaz. Za optimiranje efikasnosti iosiguravanje slobodnog otjecanja vode nakon lopatica potrebno je osiguratiispunjavanje Masonyieva kriterija da omjer promjera lopatica (D) bude 10 puta većiod promjera mlaza (a).

Kod promjene opterećenja ili potrebe za naglim zaustavljanjem turbine potrebno jezaustaviti ili preusmjeriti mlaz od lopatica. Promjena smjera mlaza vode je boljerješenje jer naglo zaustavljanje protoka može izazvati tzv. vodni udar. Ponekad seprimjenjuje i protumlaz kao vodna kočnica.

Francis turbina se može instalirati horizontalno ili vertikalno. Horizontalna izvedbaima prednost zbog spajanja s generatorom. Vertikalna izvedba je skuplja jerzahtijeva veći prostor, ima veću ukupnu masu postrojenja idodatno je složenija za održavanje. Francis turbina ima niznedostataka u odnosu na Pelton izvedbu: osjetljivija je naproblem kavitacije i na nečistoće u vodi; efikasnost značajnoopada kod manjeg protoka od nazivnog (ovisno o izvedbiveć kod 50% instaliranog protoka pada blizu 0,6); pogon nijestabilan kod protoka manjeg od 40% instaliranoga; brzozatvaranje protoka izaziva veći vodni udar te je potrebnobolje dimenzionirati dovodnu cijev; kompleksnija izvedba ikontrola zahtijevju složeno održavanje. Prednost Francisturbine u odnosu na Pelton je u iskorištavanju kompletnog pada.

Iskustveni podatci o brzini okretanja Francis turbine za padove od 10 do 50 m suizmeđu 900 i 1200 min-1, a za veće padove i do 1500 min-1.

Kaplan turbina se koristi za malepadove ili za protočne HE. PrednostKaplan turbine prema drugim sličnimizvedbama za male padove (npr. bulb,propeler, S i Straflo) je u manjoj cijeni iu pozicioniranju elektromehaničkogdijela izvan vode (lakše održavanje isigurnije kod poplavljanja). Utjecaj naokoliš izvedbi s Kaplan turbinom jemanji zbog nepostojanja akumulacije imanjeg zauzimanja prostora. Ovisno oprotoku (reguliran ili varijabilan) postojeizvedbe sa fiksnim i pomičnim krilcimalopatica rotora (veća efikasnost).Dvostruka regulacija osigurava dobarstupanj djelovanja za veliki rasopn protoka (do 30% instaliranog protoka).

Michel-Banki turbina (crossflow – poprečna; s radialnim potiskom) za razliku odostalih ima primjenu samo kod MHE (do 0,8 MW). Kod primjene protoci se krećuizmeđu 25 i 700 l/s. Rotor se dijeli na 26 do 30 pregrada ovisno o promjeru (od 0,2do 0,6 m). Turbina se instalira sa slobodnim otjecanjem vode ili sa nastavkom(difuzor) za korištenje cijelog pada. Posebnost podjele rotora na 1/3 i 2/3 zaefikasnije korištenje manjih protoka od nazivnoga je već prije spomenuta (slika naprethodnim stranicama). Varijabilni kapacitet protoka osigurava rad i na 20%

33

instaliranog protoka. Ovo je važno za veliki broj potencijalnih lokacija za vrlo maleHE s jako promjenjivim protokom. Dodatna prednost Michel-Banki turbine je brzosastavljanje, manji zahtjevi na izvedbu postrojenja (građevinski radovi) i lagan pristupsvim dijelovima za održavanje.

Vodno kolo povezano je s najstarijim načinom korištenja energije položaja vode.Zanimljivo je da i danas vodno kolo ima veliki broj prednostikod vrlo malih HE. Najprije vrlo je veliki broj lokacija kojeimaju relativno mali pad i umjerenu snagu (<5 m, do 75 kW).Potom, vodno kolo predstavlja dobar kompromis izmeđuproizvodnje i očuvanja okoliša. Pogon je neometanprljavštinama u vodi. Tijekom rada se ostvarujesamoregulacija momenta promjenom količine zahvaćenekoličine vode.

Nedostatak vodnog kola je mala kutna brzina (do 8 min-1) koja zahtjeva multiplikatorbrzine (prijenos ili remen) prema generatoru (~1:20) što izaziva dodatne gubitke.Pokraj toga potreba za reguliranjem brzine komplicira veliku jednostavnost izvedbu.

Osnovne izvedbe vodnog kola su povezane s mjestom gdje se prihvaća voda. Kodgornjeg prihvaćanja vode pad mora biti barem jednak promjeru kola. Snaga seprema tome može izraziti korištenjem izraza (2.4). Stupanj djelovanja je oko 60%(dostiže i do 80%), a pad određuje razlika visine vode ispred i iza vodnog kola. Sličnose razmatranje može provesti i za izvedbe s donjim prihvatom vode. Vodna kola semogi koristiti za izvedbe koje imaju pad do 10 m i protoke do 2 m3/s.

Vodne pumpe kao turbine za vrlo male HE dosta se često primjenjuju. Osnovnirazlog tome je u činjenici da su vrlo jeftine (masovna proizvodnja) i lako se nabavljajus velikim varijacijama karakteristika. Njihov nedostatak je u manjoj efikasnosti i većojosjetljivosti na kavitaciju i radni raspon. Glavni problem predstavlja nemogućnostkontrole protoka. Primjena je stoga najjednostavnija s konstantnim protokom. Uvjetepromjenjivog protoka je moguće rješavati na različite načine, npr.: dodatna manjapumpa, ili elektronska kontrola (tereta).

4.2.2 Generator

Rješenja MHE za samostalni rad moraju imati sinkroni generator što poskupljujeizvedbu. Male HE koje su priključene na mrežu najčešće koriste jednostavniasinkroni generator. Izvedbe vrlo malih snaga (ispod 100 kVA) se priključuju naniskonaponsku mrežu (0,4 kV), a za veće snage se radi priključak nasrednjenaponsku mrežu (10/20 kV). Potrebno je osigurati faktor snage iznad 0,9.Treba voditi računa o strujama kratkog spoja, prenaponskoj zaštiti, zaštiti od naponadodira i ponovnom automatskom uključivanju. Sve izvedbe trebaju imati nadstrujnu,podnaponsku i zaštitu od kratkog spoja. Za snage iznad 0,25 MVA treba dodati izaštite generatora od zemnog spoja i povratne snage (sinkroni generator).

Mjerenje el. en. (radne i jalove u oba smjera) i brojnih drugih veličina obvezno je ipotrebno za dobar i autonoman rad male HE.

34

4.3 Osnovni dijelovi mHE

Sustav (male) hidroelektrane se sastoji od svih objekata i dijelova koji služe zaskupljanje, dovođenje i odvođenje vode, za pretvaranje mehaničke u električnuenergiju, za transformaciju i razvod el energije. Razlikuju se sljedeći karakterističnidijelovi (male) hidroelektrane:

brana ili pregrada

zahvat

dovod

vodna komora ili vodostan

tlačni cjevovod

strojarnica (turbina, generator...)

odvod vode.

Prema tipu hidroelektrane mogu neki od ovih dijelova potpuno izostati, a u drugimslučajevima može isti dio preuzeti više funkcija.

4.4 Izvedbe malih hidroelektrana

Razlikuju se sljedeće izvedbe mHE:

a) Niskotlačne mHE sa strojarnicom na dnu brane

Male hidroelektrane si ne mogu priuštiti gradnju velikih rezervoara ili akumulacija dase koriste zalihama vode kada je to najpogodnije. Cijena izgradnje relativno velikebrane bi bila preskupa i ekonomski neisplativa. Ali ako je akumulacija već izgrađenaza druge svrhe, kao što su zaštita od poplave, navodnjavanje, prikupljanje vode zavelike gradove, rekreacijska područja i slično, moguće je proizvoditi električnuenergiju koristeći postojeći odvod ili prirodni tok rezervoara (akumulacije). Ako branaveć ima ispusni otvor moguća je izvedba MHE prikazana na slici 19.

Slika 19. Niskotlačna MHE s korištenjem postojeće brane [22]

35

b) Niskotlačne mHE sa sifonskim dovodom

U slučaju da brana nije previsoka može se ugraditi sifonski dovod. Integralni sifonskidovod omogućuje elegantnu izvedbu postrojenja, najčešće do visine 10 m i zapostrojenja do 1000 kW, iako postoje postrojenja sa sifonskim dovodom sainstaliranom snagom do 11 MW (Švedska) i visine do 30.5 m (SAD). Turbine mogubiti smještene na vrhu brane ili na nizvodnoj strani. Na slici 20 prikazana jeniskotlačna mHE sa sifonskim dovodom.

Slika 20. Niskotlačna mHE sa sifonskim dovodom [22]

c) MHE integrirane unutar kanala za navodnjavanje

Postoje dvije izvedbe malih hidroelektrana koje koriste kanal za navodnjavanje:

Ako je kanal dovoljno velik za smještaj zahvata, strojarnice, odvoda i bočnogobilaza za vodu. Izvedba sa uronjenom strojarnicom opremljenom sadesnokutnom pogonskom Kaplanovom turbinom na slici 21. Da bi osiguraliopskrbu vode za natapanje izvedba mora sadržavati bočni obilaz u slučajugašenja turbine. Istovremeno projektiranje i izgradnja s kanalom za natapanje.

36

Slika 21. Mala hidroelektrana koja koristi kanal za navodnjavanje [22]

Ako kanal već postoji, pogodna opcija prikazana je na slici. Kanal bi trebaloneznatno povećati za smještaj zahvata i preljeva. Da se širina zahvatareducira na minimum, treba ugraditi izduženi preljev. Od zahvata se voda kroztlačni cjevovod dovodi do turbine, a zatim se kroz kratki ispust vraća u kanal.Uglavnom u kanalima nema migracije riba pa su prolazi za ribe nepotrebni.

Slika 22. Mala hidroelektrana ugrađena u već postojeći kanal [22]

d) MHE ugrađena u vodoopskrbni sustav

Voda za piće se isporučuje u grad transportom vode iz povišenog rezervoara krozcjevovod pod tlakom. Uobičajeno, u takvim vrstama instalacije disipacija energije nanižem kraju cjevovoda, na ulasku u postrojenje za pročišćavanje vode, se ublažavakorištenjem specijalnih ventila. Smještanjem turbine na kraj cjevovoda, da pretvoriionako izguljenu energiju u električnu, je zgodna opcija, pod uvjetom da se izbjegnevodeni udar. Da bi se osigurala trajna opskrba vodom mora biti ugrađen sustavobilaznih ventila. U nekim vodoopskrbnim sustavima turbina ima ispust u otvorenibazen ili jezero. Sustav za kontrolu održava nivo vode u bazenu. U slučajumehaničkog zastoja ili zastoja turbine, sustav obilaznih ventila također možeodržavati razinu vode u bazenu. U slučaju da glavni obilazni ventil ispadne iz pogonapojavljuje se nadtlak, te se pomoćni obilazni ventil brzo otvori. Kontrolni sustavi sujoš složeniji u sustavima gdje je izlaz iz turbine podvrgnut protutlaku vodene mreže.

Slika 23. mHE ugrađena u vodoopskrbni sustav [22]

4.5 Projektiranje malih HE

Poznavanje i izgrađenost prostora nužni su kako sa stajališta mogućnosti unošenjanovih zahvata, tako i sa stajališta utjecaja novog zahvata na postojeće i planirane

37

zahvate. Podaci se nalaze u postojećim dokumentima, katastrima, kartografskimmaterijalima, a neke je potrebno snimiti.

Izbor odgovarajućih rješenja neposredno je ovisan o:

Svojstvima sredine u kojoj se planira gradnja male hidroelektrane (priroda,izgrađeni prostori), kao i o

Raspoloživosti materijala za građenje, mogućnosti izgradnje nosive (stabilne ičvrste), uporabljive i trajne građevine pouzdane u korištenju.

Ekološkoj prihvatljivosti. Hidrotehničkim zahvatima neposredno se mijenjastanje vode u prirodi što posredno djeluje na stanje okoliša manje ili višeintenzivno. Rješenje koje podržava održivi razvoj.

Razvojnoj i ekonomskoj prihvatljivosti. Gradnja male HE je zahvat u funkcijirazvoja društva - neophodno je uskladiti rješenja s ostalim sudionicimaizgradnje i korištenja raspoloživih bogatstava, koja su i ekonomski prihvatljiva.

Nakon prikupljanja podloga i izvršenja odgovarajućih istražnih radova, te njihoveobrade, pristupa se analizi mogućnosti prirodnih vodotoka i mogućnosti iskorištenjahidroenergetskog potencijala izgrađenih objekata na malim vodotocima. Također,prilikom projektiranja malih HE potrebno je razmoriti slijedeće [23]:

Geološke karakteristike

Hidrološki i meteorološki istražni radovi

Stanje na terenu

Bruto energetski potencijal

Veličina izgradnje male HE

Izbor turbine i neto snaga za male HE.

38

5 GEOTERMALNA ENERGIJA

5.1 Porijeklo i priroda geotermalne energije

Gravitacijska energija i zaostala toplina od formiranja Zemlje te radioaktivni raspadrezultirali su enormnom unutrašnjom kaloričkom energijom Zemlje. Procijenjenatemperatura unutrašnje jezgre od oko 40000C, na dubini od 6370 km, postupnoopada do samo nekoliko stupnjeva na površini zemlje (uz značajan doprinosSunčeve energije). Zemljina kora debljine oko 30 km pliva na omotaču oko vanjske iunutrašnje jezgre. Ponašanje unutar jezgri je relevantno za magnetske poloveZemlje, a dinamika omotača utječe na vulkanske erupcije i velike potrese. Zakorištenje geotermalne energije od važnosti je samo Zemljina kora i to posebno namjestima gdje se dodiruju tzv. tektonske ploče. To je stoga što ne postoji tehnološkamogućnost pristupa većim dubinama. Granice tektonskih ploča predstavljaju mjestavelikog rizika od aktivnih vulkana, potresa i dobar potencijal za korištenjegeotermalne energije [31].

Potencijal nekog područja za korištenje geotermalne energije grubo se može ocijenitipreko temperaturnog gradijenta ispod površine zemlje. Prosječan porasttemperature iznosi manje od 30 stupnjeva Celzijevih na 1 km. Područje sa posebnodobrim potencijalom za korištenje geotermalne energije ima porast temperature oko100 oC na 1 km. Međutim, kod dobrih izvora gdje se geotermalna energija i koristiporast temperature može biti i viši. Temperaturni gradijent služi samo zapojednostavljeni prikaz jer je stvarno kretanje temperature ovisno o prirodigeotermalnog izvora i sastavu tla.

Potencijal za korištenje geotermalne energije ovisi o dubini na koju treba bušiti,sastavu tla i prisutnosti te stanju vode.

Kapacitetom unutrašnje kaloričke energije prednjače najteže iskoristive suhe vrućestijene. Dostupne temperature se kreču između 150 i 300 oC na dubinama od 2,5 do6 km. Najveći problem korištenju predstavlja preuzimanje toplinske energije. Da bise preuzela toplina potrebno je dovesti medij (npr. vodu) i ostvariti kontakt sa vrućimstijenjem. Postoje razne ideje o stvaranju pukotina, ali sve je još uvijek u istraživanju[31].

5.2 Geotermalni resursi

Korištenjem podataka dobivenih bušenjem, satelitskim snimanjem i modeliranjemmoguće je procijeniti geotermalne resurse. Pri tome najvažniji su podatci otemperaturama, količini vode/pare te o sastavu tla na nekom području. Geotermalnese resurse može klasificirati prema temperaturi: nisko temperaturni (ispod 90 oC),visoko temperaturni (preko 150 oC), a srednje temperaturni između. Temperatureodređuju mogućnosti korištenja i načine primjene. Samo visoko temperaturni izvori sesmatraju ekonomičnim i praktičnim za proizvodnju električne energije.

Procjena resursa se uobičajeno posebno iznosi za proizvodnju električne energije iza direktno korištenje toplinske energije. Dodatno se uzima u obzir sadašnje stanjetehnologije i predvidivo unapređivanje. Slike 6.3 i 6.3a koje slijede ilustriraju podlogeza procjenu geotermalnih resursa u Europi i Hrvatskoj. Procjene su rezultat

39

kombiniranja podataka dobivenih stvarnim bušenjima i modeliranjem uz pretpostavkeo sastavu tla

Za Republiku Hrvatsku najprije treba naglasiti da pola zemlje nema nikakavgeotermalni potencijal dok pola predstavlja potencijal. Tako, dok južni dio zemlje imaispodprosječni temperaturni gradijent (manje od 20 oC/km) na sjeveru je temperaturnigradijent iznad prosjeka (oko 50 oC/km sa varijacijama na posebnim lokacijama). Natemelju podatak iz stvarnih bušotina (oko 50 napravila INA) na dubinama od nekolikokm poznato je da potencijalni izvori imaju temperature vode od 40 do 170 oC. Prematome se procjenjuje da je ukupni potencijal za proizvodnju električne energije skoro50 MWe i direktno korištenje preko 800 MWt. Uz pretpostavku o faktoru opterećenjaza proizvodnju el. en.od 80% to predstavlja potencijal za 0,35 TWh godišnje. Zadirektno korištenje to je potencijal od oko 7 TJ godišnje. Na slici 24 prikazan jegeotermalni potencijal Hrvatske [28].

Slika 24. Geotermalni potencijal u Hrvatskoj [28]

5.3 Direktno korištenje geotermalne energije za grijanje

Najjednostavniji i najperspektivniji način iskorištavanja geotermalne energijepredstavlja direktno korištenje toplinske energije za različite namjene u turizmu,poljoprivredi, industriji i komunalnom grijanju. Direktno korištenje može bitisamostalno ili kombinirano. Kombinirati se može sa drugim (konvencionalnim)načinima proizvodnje toplinske energije ili sa proizvodnjom el. en. iz geotermalnogizvora. Tablica ispod ilustrira neke moguće direktne primjene geotermalne energije.Dodatni primjeri za direktnu primjenu su npr.: prerada mesa (od 60 do 95 oC),proizvodnja sira (od 40 do 95 oC) i sušenje žitarica (od 50 do 150 oC).

Svjetski kapaciteti za direktno korištenje geotermalne energije procjenjuju se na 15GWt instalirane snage i 191 PJ korištene topline godišnje (2000.). EU je u 2006.direktno iskoristila skoro 90 PJ (uključujući toplinske pumpe) s 9 GWt instaliranihkapaciteta.

40

Direktna primjena je najveća za grijanje i odmah potom slijede kupališta, staklenici,ribogojstvo te industrija. Svaka zemlja ima svoje specifičnosti ovisno ne samo ogeotermalnom potencijalu već i o brojnim drugim faktorima. Island je poseban primjerstoga što za ukupne potrebe primarne energije koristi oko 55% geotermalnu energiju(121 PJ, 2005.). Na prvom mjestu je grijanje (oko 60% ukupne korištene GE), azanimljivo je korištenje za otapanje snijega i leda u naseljima.

Hrvatska najviše direktno koristi geotermalnu energiju za toplice i lječilišta (oko 114MWt instaliranih kapaciteta), a manji dio za zagrijavanje (oko 37 MWt). Potencijal jeznačajan za povećavanje korištenja za toplice i komunalno grijanje. Veliki jepotencijal za Hrvatsku primjena u poljoprivredi (proizvodnja u staklenicima), uzgojuriba te industriji (posebno prehrambenoj). Potencijalno važno iskustvo u ovom smjeruće predstavljati izgradnja i korištenje lokacija Velika Ciglena i Lunjkovec-Kutnjak gdjese planira, uz zdravstvenu i turističku namjenu, direktno koristiti toplinu za sušare,proizvodnju povrća, uzgoj ukrasnog bilja, komunalno grijanje te jednim dijelom iproizvodnju električne energije.

5.3.1 Toplinske pumpe

Mogućnost „pumpanja“ topline iz okoline korištenjem lijevokretnog kružnogtermodinamičkog procesa često se primjenjuje za grijanje (i hlađenje) u razvijenomsvijetu. Tzv. toplinske pumpe često se spominju zajedno sa geotermalnim izvoromenergije. Dok se vanjska prosječna mjesečna temperatura zraka, za našekontinentalno područje, kreče u rasponu od -5 do +25 oC temperatura tla ostajepribližno konstantna (ovisno o podneblju od 6 do 8 oC) tijekom cijele godine već nadubini od 8 do 10 m. Razlika prema zraku je iskoristiva i na dubini od 2 m gdje jegodišnji raspon od 3 do 10 oC za suho tlo i par stupnjeva šire za vlažno tlo. Takavodnos temperatura u tlu i potrebne unutrašnje temperature u kući ili zgradipredstavlja potencijal za isplativo i racionalno zagrijavanje (hlađenje) s koeficijentomdjelovanja od 3 do 6 (omjer dobivene toplinske energije i uložene el. en.). Ukupnadjelotvornost ovisi pokraj konstantne manje razlike temperatura i o korištenojtehnologiji a posebno o konkretnoj izvedbi (horizontalno, vertikalno, podzemne vode idrugo).

Korištenje toplinskih pumpi u razvijenom svijetu na daleko je većoj razini od situacijeu Hrvatskoj. To se najprije odnosi na pojavu jeftinijih klima uređaja sa mogućnošćucrpljenja topline iz zraka koje imaju relativno mali koeficijent djelotvornosti. No, faktorpreobrazbe je konstantniji i bitno bolji kod primjena sa korištenjem toplinskogspremnika u zemlje (nekoliko metara ispod površine).

Glavni dijelovi toplinske crpke su:

Kompresor Tip i dužina cijevi kruga Radni medij Isparivač Kondenzator Termo ekspanzijski ventil

41

Horizontalni sustav s zatvorenim krugom

Ovaj se sustav primjenjuje kod objekta koji imaju potrebu za većom količinomtoplinske energije i na područjima gdje zbog tipa tla nisu moguće postavljanjehorizontalnog sustava. Za ovakav sustav potrebno je izbušiti jednu dublju bušotinu(100 m do 200 m) ili više manjih (20 m, 30 m, 50 m) koje se nakon postavljanja zalijubetonom. Poluetilenske cijevi su postavljene u obliku slova u s jakom spojnicom nadnu. Dubinska sonda je najsigurniji izvor konstantne temperature.

Slika 25. Horizontalni sustav sa zatvorenim krugom [24]

Ovaj sustav se koristi na mjestima gdje ima dovoljno prostora te je tlo pogodno zaizvođenje građevinskih radova. Snop cijevi polaže se paralelno u tlo na dubinu većuod dubine smrzavanja (oko 2 m). Nedostatak ovog sustava su velike temperaturneoscilacije tla na tako malim dubinama.

Vertikalni sustav sa zatvorenim krugom

Ovaj se sustav primjenjuje kod objekta s potrebama za velikim količinama ogrjevne irashladne energije, kad je tlo blizu površine stjenovito ili na površinski skučenimprostorima. Potrebno je izbušiti bušotine određene dubine Svaka bušotinaopremljena je jednim snopom polietilenskih cijevi spojenih na dnu „U“-spojnicomvelike čvrstoće.

42

Slika 26. Vertikalni sustav sa zatvorenim krugom [24]

Vertikalni sustav s otvorenim krugom

Slika 27. Vertikalni sustav s otvorenim krugom [24]

Ovaj sustav je isplativ u slučaju izdašnih podzemnih voda. Podzemna voda seizravno crpi iz jedne bušotine te nakon što prođe kroz sustav toplinske crpke vrača udrugu bušotinu koja je najmanje udaljena 15 m. Odvod se može provesti i u rijeku,jezero ili tlo. Prednosti ovoga sustava su niže početne investicije te dobretemperaturne osobine podzemnih voda.

5.4 Korištenje geotermalne energije za proizvodnju električne energije

Proizvodnja električne energije korištenjem geotermalnog izvora u principu je sličnaklasičnoj konverziji unutrašnje kaloričke energije iz uobičajenih izvora toplinskeenergije (npr. ugljen). Sličnost prestaje kada je riječ o činjenici da treba otkriti dobrogeotermalno nalazište i da je za to potrebno napraviti bušotinu (ili više njih) odnekoliko km. Dodatno, kod geotermalnih izvora vrlo su rijetki sa parametrima medijablizu parametara klasične termoelektrane.

43

Razlikuju se četiri vrste geotermalnih elektrana [31]:

Elektrane na suhu paru (rijetko)

“Flash steam”elektrane sa separiranjem mokre pare(T>200oC)

Elektrane sa binarnim ciklusom (T<200oC) (u HR)

Elektrane sa separiranjem pare i binarnim ciklusom (veća učinkovitost)

Najkvalitetniji geotermalni izvori daju suhu paru visoke entalpije (temperature oko240oC) na ulazu u postrojenje. Takva postrojenja se po svojoj izvedbi i snazi (reda100 MW) ne razlikuju značajno od klasičnih termoelektrana. Specifičnost sucentrifugalni separator nečistoća prije turbine i parni ejektor za uklanjanjenekondezibilnih plinova (do 10% mase; CO2, NH4 i H2S) iz kondenzatora. Zasmanjivanje potrebnog rashladnog protoka tlak u kondenzatoru je relativno visok(~135 kPa) i to, uz relativno male temperature, dodatno umanjuje termički stupanjdjelovanja prema klasičnim postrojenjima. Na svijetu ima malo primjera koji koristeizvore suhe pare (Lardarello u Italiji, Matsukawa u Japanu, Geysers u SAD iKamojang na Javi). Cijena ovakvih postrojenja sa bušotinama dvostruko je iznadcijene konvencionalnih (oko 2000 €/kW).

Srednje dobri i najčešće korišteni geotermalni izvori daju na izlazu mokru paru.Temperatura fluida je preko 2000C s velikim salinitetom (do 280e3 ppm). Separiranjepare se odvija u jednom, dva i rjeđe tri stupnja. Broj stupnjeva se povećava za boljiukupni stupanj djelovanja kod lošijih izvora. Kombinirani proces proizvođenje el. en. itopline se koristi umjesto trostruke separacije pare. Cijena ovakvih postrojenjaotprilike je 30% veća od onih sa suhom parom. Elektrane sa mokrom parom sumanjih snaga (10-50 MWe) i koriste se u SAD, Japanu, Novom Zelandu, Meksiku ina Islandu.

Slika 28. Shematski prikaz binarne geotermalne elektrane [31]

Org

ansk

i med

ij

44

6 ENERGIJA SUNCA

6.1 Potencijal Sunčeva zračenja

Energija Sunčeva zračenja kontinuirano pristiže na Zemlju koja se okreće oko svojeosi i oko Sunca. Posljedično imamo dnevne i sezonske mijene snage Sunčevazračenja koje stiže do površine Zemlje. Snaga Sunčeva zračenja na ulazu uZemljinu atmosferu, pri srednjoj udaljenosti od Sunca, iznosi 13701 W/m2. Dopovršine Zemlje stiže otprilike pola. Ukupno Sunčevo zračenje koje dođe na Zemljuvrati se natrag u svemir2. Snaga koju stvarno na površini imamo značajno ovisi oprilikama u atmosferi i o oblacima. Za grubu ocjenuprosječne snage Sunčeva zračenja na površini zemljetijekom cijele godine se može uzeti vrijednost od skoro200 W/m2 [19].

Jednostavni račun s površinom Zemlje okrenutomSuncu može ocijeniti godišnje dozračenu energiju.Slika sa strane uspoređuje preko volumena kockeenergiju Sunca dozračenu na Zemlju (1) s rezervamaprimarnih izvora energije i ukupnom svjetskompotrošnjom energije (7). Nedvojbeno je da se radi oenormnim količinama energije mnogostruko većim odsvih rezervi ugljena (4), prirodnog plina (3), nafte (5) i urana (6) zajedno. Iznostrenutno korištene Sunčeve energije prikazuje najsitnija kocka broj 2 [34].

Za neku određenu lokaciju potencijal Sunčeva zračenja se određuje mjerenjem ianalitički. Mjeriti se može lokalno ili satelitski. Analitički pristup daje zadovoljavajućerezultate ukoliko je poznat tzv. indeks prozračnosti (Kt – određuje koliko zračenjadođe do površine). Piranometrom (termičkim ili poluvodičkim) se mjeri globalna(ukupna), direktna i difuzna (raspršena) ozračenost na horizontalnu površinu(gustoća energije - H Wh/m2). Daljnja analitička procjena je nužna zbog toga što surezultati mjerenja najčešće dostupni samo za ukupnu ozračenost i jer se konverzijaSunčeva zračenja odvija pod određenim kutom (β) u odnosu na horizontalnupovršinu, a difuzno i direktno zračenje također ovise o tom kutu i o indeksuprozračnosti. Dodatno treba voditi računa i o reflektiranoj komponenti koja ovisi odirektnoj komponenti, kut β i specifičnoj konfiguraciji terena.

1 Uslijed blage ekscentričnosti putanje Zemlje oko Sunca i različite udaljenosto tijekom godinevrijednost Solarne konstante varira ±3,5%. To se može zanemariti prema ostalim varijabilnimutjecajima.2Na putu do površine Zemlje oko 30% direktno se odbija natrag u svemir (od atmosfere 6%, od oblaka20% i od zemlje 4%), oko 19 % apsorbira se u atmosferi (oblaci 3%, atmosfera iznad 16%), a ostatakupije kopno i more. Iz zemlje i oceana sve se vraća natrag: zagrijavanjem zraka 7%, isparivanjemvode 23% i infracrvenim zračenjem 21%. Uz prethodne izmjene u oblacima i atmosferi Zemlju nakraju napušta infracrvenim zračenjem 70% Sunčeve energije.

45

6.2 Toplinska primjena

Pod toplinskim korištenjem Sunčeva zračenja podrazumijeva se direktna primjena zazagrijavanje objekata, grijanje vode ili u novije vrijeme korištenje u rashladnimuređajima. Toplinska primjena se dijeli još na pasivnu i aktivnu.

6.2.1 Pasivna arhitektura

Najstariji oblik korištenja energije Sunčeva zračenja je u pasivnoj arhitekturi. Pasivnagradnja ponajprije znači da se stambene cjeline i objekti grade tako da se čim višezagrijavaju kada je tijekom godine hladno i da se što manje zagrijavaju kada je toplijegodišnje doba. Ovo je moguće postići zahvaljujući činjenici da je kut (deklinacija) podkojim se Sunce, u krajevima sjeverno od ekvatora, nalazi tijekom ljeta veći od onogapreko zime. Pasivno rješenje predstavlja nadstrešnica na južnom dijelu nastambe.Ljudi ovo koriste već više od dva milenija. Pasivna gradnja dodatno može biti udobroj izolaciji objekta; zidovima i podovima koji imaju dodatnu masu za akumuliranjetopline (akumulacija preko dana za noćne potrebe); odgovarajućom izvedbomprozora; dodatnim izvorom svjetla iz posebnih kanala. Postoje i rješenja koja strogogledano nisu pasivna gdje se može npr. pomicati pokrov ili dio fasade. Kontroliranaventilacija također doprinosi učinkovitosti i komforu.

Pretpostavka pasivnoj gradnji je značajna južna površina i da nema zasjenjivanjaokolnih objekata. Dodatno treba planirati uređenje oko objekta raslinjem za stvaranjesjene zelenilom preko ljeta i osiguravanjem zaklona od vjetra preko zime.

6.2.2 Toplinski kolektori

Korištenje energije Sunca preko toplinskih kolektora malo je složenije od pasivnihrješenja ali zato sigurno najisplativije. Rješenja mogu biti sa i bez aktivnihkomponenti te mogu koristiti zrak ili vodu kao radni medij. Dalje se mogu razlikovatipo temperaturi koju postiže radni medij, tako imamo: nisko, srednje i visokotemperaturne primjene.

Najjednostavnija nisko temperaturna rješenja se koriste za grijanje bazena iliindustrijskih objekata. Izvode se sa cijevima bez pokrova ili sa fasadama koje imajuzračne prolaze. Najbolji su za temperature do 10 oC iznad okolišne (slika 29).

46

www.re-solutions.org NREL

Slika 29. Nisko temperaturni kolektori za grijanje vode u bazenima i za grijanjeprostora [25, 26]

Nešto složeniji srednje temperaturni kolektori imaju pokrov od stakla te posebnepremaze koji pospješuju apsorpciju uz minimalnu emisiju. Koriste se za grijanjeobjekata i tople vode. Najbolji stupanj djelovanja imaju za temperature medija do 50oC iznad okolišne.

Slika 30. Srednje temperaturni solarni kolektori

Visoko temperaturni kolektori su najsloženiji jer zahtijevaju vakumirane staklene cijevii dobru izolaciju. Prednost im je što omogućavaju postizanje temperatura iznad 50oC, a u posebnim izvedbama i preko 100 oC. Slika 31 prikazuje presjek vakumiranecijevi visoko temperaturnog kolektora.

47

Selektivniabsorber

Staklenavakumirana cijev

kondezer,izmjenjivač topline

radni medij

Slika 31. Presjek evakuirane staklene cijevi visoko temperaturnog kolektora [27]

6.2.3 Hlađenje

Sve su brojniji projekti koji demonstriraju direktnu primjenu Solarne energije zahlađenje. Za kompletnu dostatnost se razmatraju kombinirana rješenja sa bojlerimana biomasu. Stanje razvoja je pred uvođenjem na tržište i značajno smanjenje cijenese očekuje u idućim godinama. Važnost primjene Solarne energije za hlađenje je usve većim potrebama za električnom energijom u ljetnim mjesecima i maksimalnompoklapanju sa njenom dostupnosti.

Solarno hlađenje radi tako da zamjenjuje kompresor, pogonjen el. en., procesom kojikoristi medij za preuzimanje topline s vrlo niskom točkom ključanja (ispod 0 oC).Uređaj se sastoji od bojlera, kondenzatora, evaporatora i absorbera. Može sekoristiti amonijak pod tlakom tako da je tekuć na sobnoj temperaturi, a potrebni su jošvodik i voda. Razvijaju se i rješenja s litij bromidom i vodom.

Hlađenje bez korištenja mehaničke energije poznato je još od početka prošlogstoljeća kada je bilo popularno jer el. en. nije bila dovoljno dostupna za razliku odizvora ostatne topline. Ovakav način rashlađivanja se izvodi na apsorpcijski iadsorpcijki način.

6.3 Proizvodnje električne energije iz Sunčevog zračenja

6.3.1 Solarne termoelektrane

TE na Sunčevu energiju se ne razlikuju u osnovi od ostalih TE u dijelu koji pretvaratoplinsku energiju u električnu. Uvijek se primjenjuje toplinski kružni proces kojipreko turbine ili nekog drugog toplinskog stroja pretvara toplinsku energiju umehaničku i električnu preko generatora. Tri su različita rješenja Solarnihtermoelektrana relevantna prema iskustvu i potencijalu za ekonomičnu primjenu:

Parabolična protočna solarna TE

Solarni toranj

Parabolični tanjur

Sve ove termoelektrane koriste primarno direktnu komponentu Sunčevog zračenjai za dostatnu učinkovitost moraju pratiti kretanje Sunca. Pored navedenih rješenja

48

zanimljivo je spomenuti i tzv. Solarni dimnjak koji se bazira na solarnim kolektorima izračnim turboagregatima (zasada manji potencijal).

Parabolična protočna solarna termoelektranaRješenje solarne termoelektrane (STE) s poljem cijevi u fokusu polja linearnihparaboličnih koncentratora ima najveći potencijal za posve komercijalno korištenje.Kumulativno iskustvo i ukupne probne instalacije daleko premašuju sva ostalarješenja solarnih TE. Veliko iskustvo sa ovim rješenjem dolazi od 354 MWeinstalacija u Mojave pustinji u Kaliforniji još prije 20 godina čini parabolične protočeSTE najrazvijenijom tehnologijom. Relativni zastoj u aktivnostima se mijenja uzadnje vrijeme izgradnjom postrojenja u Španjolskoj, Izraelu i drugdje, ali uz zastoje inejasnu kratkoročnu budućnost.

Koncentracijom Sunčeva zračenja od 75x postižu se temperature radnog medija i do400 oC. Ukupna efikasnost ovisi o specifičnoj izvedbi, ali se kreće oko 12%.

Solarni koncentratori mogu pratiti Sunce samo u jednoj osi i to je obično istok-zapad.Kao kružni proces se uobičajeno koristi Rankineov direktni ili posredni. Usklađivanjedostupnosti energije Sunca i potrošnje se rješava toplinskim spremnicima velikogkapaciteta (otopljene soli). Optimalna snaga postrojenja se računa na oko 200 MWe(najviše zbog površine) [30].

Slika 32 prikazuje ilustraciju sheme jednog rješenja cijele parabolične protočne STE[27].

Slika 32. Shema primjera izvedbe parabolične protočne Solarne TE [27]

Solarna TE – izvedba s solarnim tornjem (središnjim prijemnikom)

Rješenje STE sa centralnim tornjem prema kome su usmjerena reflektirajuća zrcalavrlo je slično rješeno u ostatku postrojenja paraboličnoj protočnoj izvedbi.Tehnologija sa centralnim tornjem je nešto slabije razvijena. Ovdje se postižukoncentracije Sunčevih zraka do 800x i temperature u tornju do 560oC (istopljena

49

dušična sol, organske kapljevine ili zrak). Optimalna snaga se procjenjuje u rasponuod 100 do 100 MWe. Potrebno je oko 20 m2 površine za 1 kWe [30].

Slika 33. ilustrira pilot postrojenja STE sa solarnim tornjem [32].

Slika 33. Solarni toranj 11 MWe (Španjolska, 600 ogledala) i Solar II 10 MWeCalifornia (2000 ogledala, 100 m toranj, 40 M$)

Solarna TE s paraboličnim tanjurom

Najmanje razvijena od tri opisane STE je izvedba sa paraboličnim tanjurima (slika34). Ove STE najmanje izgledaju kao uobičajene termoelektrane jer jedna jedinicaima snagu od 10 do 25 kWe. Kompletan toplinski stroj i generator se nalazesmješteni u fokusu tanjura promjera oko 10 m. Uobičajena izvedba je sa Stirlingovimtoplinskim strojem (postoje izvedbe sa mikroturbinama i Braytonovim kružnimprocesom). Stirlingov motor ima prednost zbog efikasnosti (i preko 40%), ali problempredstavlja pouzdanost. Ukupna efikasnost koja se postiže iznosi 22% što je boljeod ostalih izvedbi STE Sunčeva svjetlost se koncentrira više od 3000x što predstavljaizazov kod realizacije (skupo). STE sa paraboličnim tanjurom karakterizira velikagustoća snage (oko 55 kW/l). Medij u toplinskom stroju postiže temperature od preko750 oC [30].

Slika 34. Solarna TE s paraboličnim tanjurom [32]

50

6.3.2 Fotonaponske ćelije

Pojavu da svjetlost određene valne dužine kada obasjava neki metal (npr. cink ilinatrij) iz njega izbije elektron otkrio je još Becquerel 1939. Objašnjenje ovekvantnomehaničke pojave, kojom se može proizvoditi električnu energiju, dao jeEinstein 1905. Prva moderna izvedba fotonaponske ćelije, koja iskorištava opisaniefekt, ostvarena je 1954. u Bell Labs.

Prema podatcima za 2011. u svijetu ima 70 GWe instalirane snage fotonaponskihćelija (izvor: REN21 Renewable 2012 Global Status Report)

Fotonaponsko korištenje Sunčeve energije sa svojim eksponencijalnim rastom od40% godišnje predstavlja trenutno najbrže rastući novi izvor. Ovako veliki rastpredstavlja potencijalni izvor za poremećaje sa dobavom osnovnih sirovina (npr.silicija i indija).

Razvoj i pojavljivanje na tržištu novih tehnologija poput tankog-filma, uz solidanstupanj djelovanja od 10 i više postotaka, predstavlja nadu da će se potrebe zaosnovnim sirovinama barem dijelom relaksirati.

Fotonaponska ćelija je poluvodički element koji omogućuje izravnu pretvorbusvjetlosti u električnu energiju na osnovi fotonaponskog efekta. Fotonaponske ćelijese mogu prikazati pomoću ekvivalentnog sklopa koji je prikazan na slici 35.

Slika 35. Ekvivalentni sklop fotonaponske ćelije [8]

Struja takvog kruga, odnosno fotonaponske ćelije određena je sljedećim izrazom:( )

0 1se U IR

mkTfs d p fs

p

UI I I I I I e

R

(16)

Ukoliko se zanemari serijski i paralelni otpor tada vrijedi [8]:

51

( )

0 1se U IR

mkTfsI I I e

(17)

Gdje je:

I – struja ekvivalentnog sklopa prema slici 35.

Ifs – fotostruja

Id – struja diode

Ip – struja kroz paralelni otpor,

U – napon

Rp – paralelni otpor FN ćelije

I0 – struja zasićenja

e – elementarni naboj, e=1,602176462∙10-19 As

Rs – serijski otpor FN ćelije

m – parametar FN ćelije, m=1

k – Boltzmanova konstanta, k=1,3806∙10-23 J/K

T – apsolutna temperatura

Strujno naponske karakteristike fotonaponske ćelije su prikazane na slici 36.

I [A]

U [V]

Točka maksimalnesnage (MPP)

IMPP

UMPP

PMPP=IMPP· UMPPIKS

UPH

Slika 36. Strujno – naponska karakteristika fotonaponske ćelije [8]

52

Fotonaponska ćelija se može opisati s četiri bitna parametra:

Struja kratkog spoja IKS – struja pri kratko spojenim stezaljkama fotonaponskećelije. Tada je napon U=0, a struja kratkog spojka je jednaka fotostruji, IKS= Ifs.

Napon praznog hoda UPH – Napon otvorenih stezaljki fotonaponske ćelije kojije jednak [8]:

0

ln 1KSPH

k T IU

e I

(18)

Stupanj korisnog djelovanja fotonaponske ćelije ηFNC – omjer električne snagekoju može ostvariti FN ćelija i snage Sunčevog zračenja na njezinu površinu ijednak je [8]:

100 100PH KSMPPFNC

FNC

U JPF

G A G

(19)

Gdje je:

G – snaga Sunčevog zračenja [W/m2]

A – površina FN ćelije [m2]

JKS – gustoća struje kratkog spoja [A/m2]

Faktor punjenja F – omjer maksimalne snage FN ćelije i umnoška strujekratkog spoja i napona praznog hoda i jednak je [8]:

MPP MPP MPP

PH KS PH KS

P U IF

U I U I

(20)

Vrijednosti faktora punjenja F se kreću u rasponu od 0,7 do 0,9.

6.3.3 Fotonaponski modul i nizovi

Budući da jedna ćelija daje napon od samo oko 0,5 V, zbog toga je rijetka uporabasamo jedne ćelije. Zbog toga se kao osnovni blok kod fotonaponskih sustava koristiFN modul koji je se sastoji od više spojenih ćelija te postavljenih u kućište otporno navremenske prilike. Tipični FN modul sastoji se od 36 ćelija te ima izlazni napon od 12V. Nadalje se više FN modula spaja u seriju ili paralelu da bi se dobio veći napon,odnosno veća struja te tada čine fotonaponski niz ili string.

53

Od ćelije do modula

Slika 37. FN ćelija, modul i niz [11]

Na slici 38 prikazan je I – U karakteristika tipičnog FN modula.

Stru

ja(A

)

Slika 38. I – U karakteristika tipičnog FN modula [8]

Na slici 39 prikazana je složena ekvivalentna shema fotonaponske ćelije uključujućiparalelni i serijski otpor.

54

Slika 39. Složena ekvivalentna shema fotonaponske ćelije uključujući paralelni iserijski otpor [8]

Struja fotonaponske ćelije prema slici 10 opisana je izrazom (21) [8]:

( )

0 1se U IR

skTKS

p

U IRI I I e

R

(21)

Strujno naponska karakteristika fotonaponske ćelije prema slici 39 i izrazu (21)prikazana je na slici 40.

Slika 40. Strujno naponska karakteristika FN ćelije uključujućiparalelni i serijski otpor [8]

Za temperaturu od 250C izraz (8) poprima sljedeći oblik [8]:

38,90

11sU IR

KS sp

I I I e U IRR

(22)

Ukoliko je:

55

d sU U I R (23)tada se dobije sljedeći izraz (uz pretpostavku da je temperatura 250C):

38,90 1dU d

KSp

UI I I e

R (24)

Konačno se dobije da napon jedne ćelije prema izrazu (10) iznosi:

d sU U I R (25)Napon modula je jednak:

mod d sU n U I R (26)Gdje je n broj ćelija spojenih u seriju.

Od modula do niza

Moduli se spajaju u seriju ukoliko se želi postići veća vrijednost izlaznog napona, a uparalelu ukoliko se želi postići veća vrijednost struje. Nizovi se uglavnom sastoje odkombinacije.

Ukoliko se moduli spajaju u seriju, I – U karakteristike se jednostavno dodaju dužnaponske osi kako je to prikazano na slici 7.

Slika 41. I – U karakteristika serijski spojenih FN modula [8]

Ukupna I – U karakteristika jednostavno je jednaka zbroju pojedinačnihkarakteristika.Ukoliko se moduli spajaju u paralelu, napon I – U karakteristike jednakje za sve module, dok se struje jednostavno zbrajaju kako je prikazano na slici 42.

56

U

Napon (V)

1 modul

2 modula

3 modulaI=I1 +I2+I3

I1 I2 I3

+

-

Slika 42. I – U karakteristika paralelno spojenih FN modula [8]

I – U karakteristika kombinirano spojenih FN modula prikazan je slikom 43.

57

Slika 43. I – U karakteristika kombinirano spojenih FN modula [8]

6.3.4 Fotonaponski sustavi

Pod pojmom fotonaponski sustav podrazumijevaju se svi uređaji, oprema i jedinicekoje čine FN instalaciju koja je potrebna za njegov ispravan rad [9]. U pogledu spojana mrežu postoje dvije vrste FN sustava:

Umreženi (sustavi spojeni na mrežu)

Autonomni (samostalni sustavi bez spoja na mrežu)

Fotonaponski sustav koji je spojen na mrežu prikazan je na slici 44.

Slika 44. Fotonaponski sustav spojen na mrežu [8]

Na slici 45 prikazana je druga vrsta FN sustava, samostalni sustav. To je sustav ukojemu je FN sustav jedini izvor energije, odnosno nema spoja na mrežu.

Slika 45. Samostalni fotonaponski sustav (bez spoja na mrežu) [8]

58

Nositelji normizacije na području fotonaponskih sustava su IEC i IEEE-SA, aključne norme na području fotonaponskih sustava su [9]:

IEC 61730 (HRN EN 61 730: 2008) - Photovoltaic Module Safety – Sigurnosnizahtjevi za fotonaponske module

IEC 61215 (HRN EN 61 215: 2008) - Crystalline silicon terrestrial photovoltaic(PV) modules – Design qualification and type approval – FN moduli odkristalnog silicija za zemaljske primjene – Ocjenjivanje konstrukcije i potvrdatipa

IEC 61646 (HRN EN 61 646: 2008) - Thin-film terrestrial photovoltaic (PV)modules - Design qualification and type approval – tankoslojni FN moduli zazemaljske primjene - Ocjenjivanje konstrukcije i potvrda tipa

Norma HRN EN 61 730: 2008 opisuje temeljne konstrukcijske zahtjeve zafotonaponske module. Njihov cilj je osigurati siguran mehanički i električni radtijekom predviđenog životnog vijeka. Norma HRN EN 61 215: 2008i norma HRN EN61 646: 2008 opisuje tip modula i zajedno sa normom HRN EN 61 730: 2008 definiratemeljne zahtjeve na konstrukciju fotonaponskih modula.

IEEE SCC21 je razvio niz normi, smjernica i preporuka u svezi funkcionalnih ipogonskih zahtjeva za rad fotonaponskih sustava i opreme [9]:

IEEE 1262 Recommended Practice for Qualification of Photovoltaic (PV)Modules

IEEE 1374 Guide for Terrestrial Photovoltaic Power System Safety IEEE 928 Recommended Criteria for Terrestrial Photovoltaic Power System.

Iz popisa normi za fotonaponske instalacije može se zaključiti da se u njima pružajubrojne informacije, upute i smjernice za pojedine dijelove ili daju primjeri primjene FNsustava. Ne postoji jedinstveni dokument kojim bi se obuhvatili različiti zahtjevi za FNinstalacije, sigurnosne upute, smjernice za odabir osnovnih dijelova itd. Većinameđunarodnih normi na području fotonaponskih sustava su prihvaćene kaohrvatske norme, ali u izvorniku (na engleskom jeziku) [9].

I za zaštitu FN sustava od kratkog spoja se koriste osigurači. Ipak, iskustvo jepokazalo da osigurači koji su se do sada koristili sa svojim svojstvima ne mogu ucijelosti zadovoljiti zahtjeve za suvremenom zaštitom u takvim sustavima. Ufotonaponskim instalacijama ne može doći do iznimno velikih struja kratkog spojazbog čega se zahtijevaju, odnosno predviđena su razna ispitivanja isklopne moći. Uslučaju ispada nekog FN modula rastalni osigurač ga mora isklopiti čime seonemogućava da se energija iz cijelog sustava raspodijeli po njemu. Zbog toga su zafotonaponske sustave potrebni osigurači koji imaju razmjerno male radne struje tekoji odgovaraju raznim drugim parametrima (IEC 60 269 - 2). Prema tome najvažnijeznačajke rastalnih osigurača za FN sustave su: [9]

Nova oznaka vremenske karakteristike struje: gPV

59

Donja jakost struje (''non – fusing''): Inf=1,13∙In

Gornja jakost struje (''fusing''): If=1,45∙In

Rastalni ulošci s karakteristikom gPV moraju biti ispitani na tzv.temperaturnom ciklusu.

Rastalni ulošci s karakteristikom gPV moraju biti ispitani i na cikličkomstrujnom opterećenju, pri čemu broj ciklusa ispitivanja iznosi 3000.

Pretpostavljajući Sunčevo zračenje od 1200 W/m2 i temperaturu okoline od 450Cprema IEC 60 269-6 za nazivnu struju osigurača FN niza se može uzeti [10]:

1,4n KSI I (12)

60

Literatura:

[1] Jenkins, N., Allan, R., Crossley, P., Kirschen, D., Strbac, G.,"Embedded generation", The Institution of Electrical Engineers, London, 2000.

[2] Lajos Jozsa: Energetski procesi i elektrane, udžbenik ETF Osijek,2006. godine

[3] Marijan Kalea: Nekonvencionalni izvori energije, predavanje, ETFOsijek, 2006. godine

[4] Strategija energetskog razvitka Republike Hrvatske, 2008.(»Narodne novine«, br. 68/01., 177/04., 76/07. i 152/08.)

[5] V. Potočnik, Z. Komerički, M. Magdić, Mali termoenergetski objekti,II savjetovanje hrvatskog komiteta CIGRE, Šibenik – Primošten, 1995.

[6] S. Knežević, "Tehnologije vjetroelektrana trendovi u svijetu uprimjena u Hrvatskoj", HEP - Obnovljivi izvori energije

[7] Dizdarević, N., Majstorović, M., Žutobradić, S., "Pogonvjetroelektrana", HK CIGRE, Cavtat, 2003., C6-23

[8] ''Renewable and Efficient Electric Power Systems'' Gilbert M. Masters, JohnWiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2004, USA.

[9] ''Osnove primjene fotonaponskih sustava'' Boris Labudović, EnergetikaMarketing d.o.o., Grafika Hrašće, Zagreb 2011.

[10] Short circuit protection in PV systems: Requirements for photovoltaic fuses.http://www.siba-fuses.com (veljača 2013.)

[11] Damir Šljivac, Zdenko Šimić: Obnovljivi izvori energije s osvrtom nagospodarenje'' Hrvatska komora arhitekata i inženjera u graditeljstvu, Osijek,ožujak 2008.

[12] Igor Raguzin, Domagoj Validžić,Ivan Kezele: „Novi propisi za obnovljiveizvore energije“, časopis EGE, 2/2007.

[13] Hrvatski opetaror tržišta energije – Obnovljivi izvori energije i kogeneracija,www.hrote.hr (veljača 2013.)

[14] Biomasa kao obnovljivi izvor energije, Radna skupina za biomasu,Ministarstva poljoprivrede, šumarstva i vodnog gospodarstva te Ministarstvagospodarstva, rada i poduzetništva, ISBN: 953-6474-49-2

[15] M., Kaltschmitt: „Evaluierung der Möglichkeit zur Einspeisung von Biogas indas Erdgasnetz“, Institut für Energetik und Umwelt, Projektnummer 32320002, 2005.

[16] Teodorita Al Seadi, Dominik Rutz, Heinz Prassl, Michael Köttner, TobiasFinsterwalder, Silke Volk, Rainer Janssen: “Bioplin priručnik“, Biogas forEastern Europe IEE projekt, 2008.

[17] IEA Energy Technology Essentials: Biomass for Power Generation and CHP,2007. www.iea.org (veljača 2013.)

61

[18] V. Potočnik, Z. Komerički, M. Magdić: “Mali termoenergetski objekti“, IIsavjetovanje hrvatskog komiteta CIGRE, Šibenik – Primošten, 1995.

[19] Božidar Udovičić: Energetika, Školska knjiga, Zagreb, 1993.

[20] Krivulja snage vjetroelektrane www.vestas.com (veljača 2013.)[21] HEP Operator prijenosnog sustava: Dodatni tehnički uvjeti za priključak i

pogon vjetroelektrana na prijenosnoj mreži http://www.hep.hr/ops/usluge/sustav/uvjetiVE.pdf (veljača 2013.)

[22] European Small Hydropower Association – ESHA, Guide on How to Developa Small Hydropower Plant, ESHA, 2004. (www.esha.be)

[23] Bobrowicz,Wladyslaw.“Small Hydro Power-Investor Guide“, KoncernEnergetyczny Koncern Energetyczny SA,2006.

[24] Perko, Jurica; Dugeč, Vjekoslav; Topić, Danijel; Šljivac, Damir; Kovač, Zoran:„Calculation and Design of the Heat Pumps“ // Proceedings of The 3rdInternational Youth Conference on Energetics 2011 / Leiria, 2011.

[25] Nisko temperaturni kolektori: www.re-solutions.org (veljača 2013)

[26] National Renewable Energy Laboratory www.nrel.gov (veljača 2013.)

[27] Visoko temperaturni kolektori i parabolične protočne solarne termoelektrane:www.volker-quaschning.de/articles (veljača 2013.)

[28] Energetski institut Hrvoje Požar, http://www.eihp.hr, (svibanj 2012.)

[29] D. Kralik:“ Biomasa – energije iz poljoprivrede“, predavanja, Poljoprivrednifakultet Osijek, http://www.pfos.hr/~dkralik/Predavanja_PDF/Biomasa.pdf,(svibanj 2012.)

[30] M. Kaltschmitt, W. Streicher, A.Wiese. „Renewable Energy“, Springer, Berlin,2007.

[31] Geothermal Energy Association: http://geo-energy.org (veljača 2013.)

[32] An Industry Report on Solar Thermal Energy: http://www.solar-thermal.com/(veljača 2013.)

[33] G. Pichler: Obnovljivi izvori energije www.greenenergy.hu/ime/publikacio/phare/Pichler.htm (travanj 2006.)

[34] Solar Book, On-line Solar Study Reference, http://www.solarbook.ie/ (veljača2013.)