PRETVARJANJE V ELEKTRIČNO ENERGIJO - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/fkkt_ev/Literatura/Pretvarjanje_v_elektricno_energijo.pdf · Predmet Splošna energetika je bil ob prenovi učnega

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Jože VORŠIČ

Andrej ORGULAN

PRETVARJANJE V

ELEKTRIČNO ENERGIJO

Maribor, 1996

Naslov publikacije: PRETVARJANJE V ELEKTRIČNO ENERGIJO Vrsta publikacije:

učbenik Avtorja:

izr. prof. dr. Jože VORŠIČ, dipl.inž.el. asistent mag. Andrej ORGULAN, dipl.inž.el.

Strokovna recenzija: red.prof.dr. Vitodrag KUMPERŠČAK,dipl.inž.fiz, UM FERI red.prof.dr.Bogoljub OREL,dipl.inž.el., UL FE red.prof.dr. Valter DOLEČEK,dipl.inž.kem., UM FKKT

Jezikovna recenzija: Mojca GARANTINI, prof.slov.jez.

Tipkanje in oblikovanje: Karmen KEGL, dipl.inž.el.

Slike: Darko KORITNIK, dipl.inž.el.

Založništvo: Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko

Tisk: Tiskarna tehniških fakultet

Naklada: 200

Po zakonu o prometnem davku, Uradni list RS št. 4/92, se za publikacijo plača davek 5 % po tarifni številki 3, točka 13.

Predmet Splošna energetika je bil ob prenovi učnega programa namenjen vsem študentom elektrotehnike, zato tudi takšen naslov. Za študente avtomatike in elektronike naj bi bilo to edino srečanje z nekaterimi pojmi, kot so dnevni diagrami, tarife ter verjetne in potrjene zaloge goriv in podobno. Na koncu usklajevanja je Splošna energetika pristala v zadnjem letniku študentov močnostne elektrotehnike in tako postala iz predmeta s splošno vsebino

CIP - Kataložni zapis o publikaciji Univerzitetna knjižnica Maribor

621.311.2(075.8)

VORŠIČ Jože Pretvarjanje v električno energijo / Jože Voršič, Andrej Orgulan;

[Slike Darko Koritnik]. - Maribor: Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 1996

ISBN 86-435-0165-4

1. Orgulan, Andrej COBISS-ID 40449793

predmet, pri katerem študentje energetike slišijo vse tisto, česar pri klasičnih predmetih niso, pa morajo zaradi splošne energetske razgledanosti slišati pred diplomo. V tem delu je pregled pretvarjanja primarnih energijskih virov v električno energijo. Nekatera poglavja (o klasičnih pretvorbah) so dodana zaradi celovitega pregleda, njihov obseg po poglavjih je obratnosorazmeren znanju, ki ga dobijo štuudenti pri ostalih predmetih.

Večino električne energije proizvedemo v elektrarnah - to so postroji za proizvodnjo večjih količin električne energije. Za pogon generatorjev, ki predstavljajo izvor električne energije, so v vsaki elektrarni pogonski stroji: vodne turbine, motorji z notranjim izgorevanjem, parne turbine in vetrnice. Izjema so le elektrarne za neposredno pretvorbo energije v elektriko, ki pa ne morejo nadomestiti končnih in izginjajočih rezerv fosilnih goriv zaradi dragih tehnologij in muhaste razpoložljivosti. V elektrarnah so še ostali stroji in naprave, ki so potrebni za uravnavanje in vodenje proizvodnje električne energije.

Dandanes elektrarne redko obratujejo samostojno - otočno, za pokrivanje potreb po električni energiji enega ali nekaj porabnikov. Običajno so del nekega elektroenergetskega sistema, ki zajema, razen več elektrarn, tudi prenosno in razdelilno omrežje ter porabniške naprave, v katerih se električna energija pretvarja v koristne oblike. Tako so elektrarne torej del celote in je način njihovega obratovanja odvisen od delovanja drugih elektrarn in porabe vseh porabnikov v sistemu.

Elektrarne, ki pokrivajo konico porabe v urejenem diagramu obremenitve, imenujemo vršne (konične) elektrarne, za tiste, ki pokrivajo osnovno obremenitev, pa pravimo, da obratujejo v pasu. Vloga in režim obratovanja posamezne elektrarne sta odvisna po eni strani od sposobnosti elekrarne, da se prilagodi hitrim spremembam obremenitve in po drugi od cene proizvodnje energije. Praviloma vloga elektrarne ni vnaprej določena: v deževnem obdobju deluje večina hidroelektrarn v pasu in so termoelektrarne vršne, v suhih obdobjih pa ravno obratno. V publikaciji je posebno poudarjen način in možnost vključevanja nekonvencionalnih pridobivanj energije v obstoječi elektroenergetski sistem.

Knjiga se v mnogočem razlikuje od standardnih učbenikov in je namenjena tudi samoukom in tistim, ki želijo pridobiti znanje iz pretvarjanja primarnih oblik energije v električno energijo. Energija je temeljna potreba sodobnega človeka. Njena realizacija je v zgodovini bistveno vplivala na izgled okolja in bivalne navade, danes pa pretvarjanje vedno bolj obremenjujejo ekološke posledice.

Avtorja

VSEBINA

1. HIDROELEKETRARNE................................................................................................1

2. TERMOELEKETRARNE ............................................................................................11

2.1 Parne turbine ..............................................................................................................14 2.2 Plinske turbine............................................................................................................16 2.3 Dieselski agregati .......................................................................................................18 2.4 Sočasna proizvodnja toplote in električne energije ....................................................20

3. JEDRSKE ELEKETRARNE........................................................................................25

3.1 Zgodovina atomske in jedrske fizike .........................................................................27 3.2 Jedrski gorivni krog....................................................................................................28 3.3 Tehnološki krog..........................................................................................................29 3.4 Jedrski reaktor ............................................................................................................31 3.5 Vrste jedrskih reaktorjev ............................................................................................34 3.6 Zlitje ...........................................................................................................................36

4. SONČNE ELEKETRARNE..........................................................................................43

4.1 Pasivni sončni toplotni sistemi ...................................................................................44 4.2 Nizko temperaturni aktivni sončni toplotni sistemi ...................................................44 4.3 Srednje temperaturni aktivni sončni toplotni sistemi .................................................45 4.4 Visoko temperaturni aktivni sončni toplotni sistemi ..................................................46 4.5 Fotoelektrični sistemi .................................................................................................47

4.5.1 Fizikalne osnove sončnih celic ..........................................................................50 4.5.2 Tehnologija sončnih celic ..................................................................................68 4.5.3 Možnosti uporabe sončnih celic ........................................................................73

5. ELEKTROKEMIJSKA TEHNOLOGIJA ..................................................................87

5.1 Napetostna vrsta .........................................................................................................88 5.2 Termodinamika redoks procesov................................................................................91 5.3 Galvanski (primarni) členi .........................................................................................91 5.4 Akumulatorji (sekundarni) členi...............................................................................103 5.5 Obratovanje akumulatorjev ......................................................................................117

6. GORIVNE CELICE.................................................................................................... 121

6.1 Osnove kemijskih reakcij v gorivnih celicah .......................................................... 121 6.2 Pretvorba kemijske energije v električno energijo .................................................. 124 6.3 Izvedba in uporaba gorivnih celic ........................................................................... 126 5.4 Akumulatorji (sekundarni) členi .............................................................................. 103

7. GEOTERMALNA ENERGIJA ................................................................................. 133

8. DRUGAČNI ENERGETSKI VIRI............................................................................ 139

8.1 Energija vetra........................................................................................................... 139 8.2 Plimovanje ............................................................................................................... 143 8.3 Energija valov.......................................................................................................... 145

9. ENERGIJA IN OKOLJE............................................................................................ 151

9.1 Območno in krajevno onesnaževanje ...................................................................... 152 9.2 Potencialna sprememba svetovne klime.................................................................. 152 9.3 Onesnaževanje zraka v Sloveniji ............................................................................. 154

LITERATURA

[1] B. Orel, Energetski pretvorniki I, Fakulteta za elektrotehniko, Ljubljana 1986

[2] B. Orel, Energetski pretvorniki II, Fakulteta za elektrotehniko, Ljubljana 1988

[3] H. Požar, Osnove energetike - drugi svezak, Školska knjiga, Zagreb 1978

[4] T. Markvart, Solar electricity, J. Wiley & Sons Ltd, W. Sussex England 1994

[5] M. A. Laughton & M. G. Say, Electrical engineer’s Reference book, Butterworth & Co Ltd 1985

[6] D. Linden, Handbook of batteries & fuel cells, McGraw-Hill Inc., USA 1984

[7] Komunalna energetika: Zbornik 3. mednarodnega posvetovanja, Maribor 1994

[8] Republiški sekretariat za energetiko, Energija za Slovenijo-Možnost razvoja, Ljubljana 1991

[9] Komisija Svetovnega energijskega sveta, Energija za jutrišnji svet, Slovenska izdaja, Ljubljana 1994

[10] A. Kranjc, Slabo bi bilo, če bi imeli v Ljubljani podnebje, kakršno je zdaj v Portorožu, Delo 6. 12. 1995

[11] World Energy Council, 1995 Survey of Energy Resources, 17th Edition

Pretvarjanje v električno energijo 1

1. HIDROELEKTRARNE

Za premogom, ki predstavlja 40 % električne energije, in nafto/plinom (24 %) je vodna energija tretji največji vir električne energije v svetu (18,5 %). Po podatkih Združenih narodov je vodna energija najpomembnejši obnovljivi vir energije, ki se uporablja po svetu. Predvidevajo, da zmanjšuje vodna energija emisije tako imenovanih plinov tople grede za 10 %, s tem ko nadomešča ostale načine proizvodnje električne energije. Zaradi tega je vodna energija eden glavnih načinov zmanjševanja učinkov tople grede, prav tako prispeva k bolj koristni rabi energije in njenemu ohranjanju. Za nadaljnji razvoj izkoriščanja vodne energije obstajajo znatne možnosti tako v obnovi in nadgradnji obstoječih sistemov, kakor tudi v izgradnji novih. Dodatno pomembno vlogo predstavljajo prečrpovalne elektrarne kot shranjevalke energije.

Hidroelektrarne (vodne elektrarne) so postroji, v katerih se potencialna energija vode pretvarja v električno energijo. Mednje običajno prištevamo tudi elektrarne, ki izkoriščajo plimo in oseko. Primarna energija (pretok vode) je časovno zelo spremenljiva veličina, tako z letnimi časi kot tudi z leti (slika 1.1: Sava, mokro in suho leto)

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

0

500

1000

1500

2000

Leto 1947Leto 1949

Dan

Pretok [m3/s]

Januarski pretokina reki Savi

Slika 1.1: Spremenljivost pretoka vode

Potencialno energijo vode je mogoče pretvoriti v uporabne oblike zaradi njenega gibanja, ki je posledica gravitacije. Reke predstavljajo naravne možnosti za relativno lahko izkoriščanje vodne energije. Zanimive so ugotovitve, da v celotni količini vode v svetu, ki je ocenjena na 1,4⋅1018 m3, predstavlja pitna voda samo 2,665 %, samo okoli 0,0001 % pa je je v rekah. Vodne energije izkoriščamo največ v tej zadnji obliki.

S pomočjo padca vode in njenega prostorninskega pretoka je mogoče na mestu samem neposredno določati, koliko energije je mogoče proizvesti. Iz tega razloga so za postavitev vodnih elektrarn zanimivi kraji, kjer je praktično možno doseči ali velik padec, ali velik pretok (najboljše oboje). Izkoriščajo se padci več kot 1700 m, v Švici pa je v izgradnji razširitev velike elektrarne Cleuson-Dixence, ki bo kmalu izkoriščala padec 1883 m. Prav tako pa izkoriščajo reke z ogromnim pretokom, kot je npr. Itaipú na brazilsko-paragvajski meji, ki je trenutno največja obratujoča vodna elektrarna na svetu z inštalirano močjo 12.600 MW; njenih 18 turbin lahko prepušča skupni pretok okoli 12.000 m3/s.

2 Hidroelektrarne

Možnosti vodne energije so spoznali že v zgodnji industrializaciji Evrope in Severne Amerike. Vodo so najprej uporabljali za neposreden pogon strojev, kasneje pa za proizvodnjo električne energije. Kmalu so na večini najprimernejših krajev zgradili velike, učinkovite vodne elektrarne. V začetku so te elektrarne proizvajale predvsem energijo v pasu, kar v nekaterih državah še vedno počnejo, sedaj pa se vedno bolj uporabljajo kot protiutež ostalim vrstam elektrarn oziroma kot njihova hitra rezerva.

Danes predstavlja v svetu voda kot energija enega najpomembnejših virov za proizvodnjo električne energije, vendar moramo sprejeti pomembne odločitve, kako jo izkoriščati; v današnjem času namreč obravnavamo vodo kot ekonomsko dobrino. Namakanje predstavlja okoli 70 % vse svetovne porabe vode (kakšnih 40 % vse razpoložljive vode). Zaradi tega je treba količino vode, predvideno za pretvorbo v električno energijo, uravnotežiti z le-tem in, kjer je le mogoče, združiti njeno izkoriščanje z izkoriščanjem v druge namene. Pričakujejo, da se bodo velike naložbe v jezove in zbiralnike nadaljevale v mnogih državah, kar zagotavlja pogoje za nadalnji razvoj izkoriščanja vodnih virov.

Značilnosti vodne energije

Vodno energijo običajno uvrščamo med “čiste obnovljive vire” (skupaj z vetrom, bibavico, valovi, sončno in geotermalno energijo), za razliko od gorljivih obnovljivih virov (kot so biomasa, odpadki v mestih, lesni odpadki itd).

Vodno energijo uvrščamo med obnovljive vire, ker je voda, ki teče skozi vodno elektrarno, del vodnega cikla, ki ga poganja sonce. Čista je v tem pomenu ker njena pretvorba v električno energijo ne onesnažuje okolja, in skrbi za zmanjševanje emisij plinov tople grede, saj zamenjuje ostale načine pretvorbe energije. Če je elektrarna skrbno načrtovana je možno vodno energijo označiti kot “obnovljivo” in “trajno”. Zaradi naplavin v nekaterih zajezitvah so kritiki označili hidroelektrarne kot “začasne”.

Nekatere organizacije obravnavajo samo male hidroelektrarne kot obnovljive, več pozornosti je včasih namenjeno združevanju z novimi obnovljivimi viri, čemur je včasih posvečeno veliko truda. Male hidroelektrarne kot takšne ne predstavljajo nove tehnologije. Običajne srednje in velike hidroelektrarne, ki so veliko pomembnejše v svetovni proizvodnji električne energije, pogosto spregledajo.

Vodna energija ima naslednje značilnosti: • je zanesljiva, preizkušena, zrela tehnologija z znanimi pozitivnimi in negativnimi vplivi; • hidroelektrarne imajo dolgo obratovalno dobo - do 100 in več let; • hidroelektrarne so bolj učinkovite kot vse ostale vrste elektrarn, ki uporabljajo

neobnovljive in obnovljive vire; izjema so mogoče geotermalne elektrarne; • stroški vzdrževanja in obratovanja so nizki, nadzor obratovanja je razmeroma

enostaven; • ne nastajajo nobeni plini tople grede kot posledica obratovanja (vendar pa plini lahko

nastajajo v zajezitvah); • olajšan je hiter odziv na spremembe pretoka, zelo učinkovita je izhodna regulacija; • vodne elektrarne so lahko razvite v sklopu večnamenske uporabe vode in upravljanja z

vodnimi viri; • vodni viri so zelo porazdeljeni in so funkcija področja, topografije in padavin.

V odvisnosti od načina izkoriščanja vode delimo hidroelektrarne na pretočne in akumulacijske, ki jih nadalje delimo po velikosti bazena v dnevne, sezonske in letne.


V odvisnosti od višine padca delimo hidroelektrarne na nizkotlačne, srednjetlačne in visokotlačne (preglednica 1.1):

Preglednica 1.1: Delitev hidroelektrarn

Padec nizek

4 - 50 m

srednji

20 - 600 m

visok

200 - 1000 m

nizek

2 - 100 m

Zajezitev majhna srednja velika mala

Vrtilna hitrost 1 - 4 s-1 2 - 10 s-1 4 - 20 s-1 4 - 20 s-1

Turbina Kaplan Francis Pelton Banki

Tekač

Moč:

P = ρ⋅g⋅ηh⋅ηt⋅ηg⋅Q⋅h [kW]

ρ = gostota vode 1000 kg/m3 g = težni pospešek 9,81 m/s2 ηh = hidravlični izkoristek 0,97 ηt = izkoristek turbine 0,87 ηg = izkoristek generatorja 0,94 Q = pretok m3/s h = padec m

Napoved za nadaljni razvoj

Obstajajo obsežne možnosti za nadaljni razvoj izkoriščanja vodnih virov, še posebej v deželah v razvoju, v katerih so neizkoriščeni viri najobsežnejši. Vendar lahko ekonomski, območni okoljevarstveni in socialno-ekonomski dejavniki občutno zmanjšajo te možnosti. V zadnjih letih se je tempo izgradnje novih vodnih elektrarn občutno zmanjšal, ne samo ker so najboljša mesta že izkoriščena, ampak tudi zaradi prej naštetih dejavnikov.

Obstaja več podatkov za vrednotenje vodnih potencialov države: teoretične, tehnično izvedljive in ekonomsko izvedljive možnosti. Prvi podatki so odvisni od področja države, topografije in letnih vrednosti padavin. Ostala dva podatka sta običajno določena z analizo določenega kraja. Ocenjevanje ekonomsko izvedljivih možnosti lahko izloči tiste ekonomske predele, kjer bi bil razvoj projekta vodne elektrarne nesprejemljiv zaradi socialnih ali okoljevarstvenih razlogov.

4 Hidroelektrarne

Celotne teoretične možnosti izkoriščanja vodne energije v svetu so ocenjene na približno 40.000 TWh/leto, od katerih je okoli 13.000 TWh/leto tehnično možno zgraditi. Ocenjeno je, da je v sedanjosti ekonomsko izvedljivih samo okoli 9000 TWh/leto, le-te so porazdeljene na sledeč način:

• Afrika, ocenjeno na 1000 TWh/leto; • Južna in Srednja Amerika, 2288 TWh/leto; • Severna Amerika, 1145 TWh/leto; • Evropa, 1651 TWh/leto; • Azija, 2595 TWh/leto; • Srednji Vzhod, 130 TWh/leto; • Oceanija, 170 TWh/leto.

V številnih državah v razvoju možnosti niso natačno določene.

Nafta 25%

Biomasa 33%

Vodna energija

6%

Jedrska energija

1%

Plin 8%

Premog 27%

Države v razvoju 129 EJ, 3074 Mtoe(33%), prebivalstvo 4.0 miljard (75%)

Nafta 36%

Biomasa 3%

Vodna energija

6%Jedrska energija

8%

Plin 24%

Premog 23%

Razvite države 257 EJ, 6131 Mtoe (67%), prebivalstvo 1.3 miljard (25%)

Nafta 33%

Biomasa 13%Vodna

energija6%

Jedrska energija

5%

Plin 19%

Premog 24%

Svet 386 EJ, 9205Mtoe, prebivalstvo 5.3 miljard

Slika 1.2: Poraba primarne enegije


Po svetu je izkoriščenih samo okoli 15 % tehnično izvedljivih možnosti izkoriščanja vodnih virov in 25 % ekonomsko izvedljivih možnosti. Vendar pa stopnja izkoriščanja zelo niha med državami in področji. Deleži do sedaj izkoriščenih ekonomsko izvedljivih možnosti so približno:

• 6 % v Afriki • 18 % v Južni/Srednji Ameriki • 18 % v Aziji (vključno z Rusijo in Turčijo) • več kot 55 % v Severni Ameriki in • skoraj 65 % v Evropi (brez Rusije)

7 55

938

Afrika skupaj 1000 TWh/leto

81

427

1780

Južna Amerika 2288 TWh/leto

V obratovanju

V izgradnji

Neizkoriščeno

15

624

506

Severna Amerika 1145 TWh/leto

125

465

2005

Azija 2595 TWh/leto

48

660

943

Evropa 1651 TWh/leto

Slika 1.3: Razvoj ekonomsko izvedljivih možnosti izkoriščanja vodnih virov v TWh/leto

Na Kitajskem je izkoriščenih samo okoli 7 % tehnično izvedljivih možnosti in v Ruski federaciji samo 9,5 %; nasprotno pa so v Švici izkoristili skoraj 90 %. Vodna energija je najmanj izkoriščena v Afriki, kljub temu da ima kar nekaj njenih držav ogromne možnosti (npr. Zaire, Kamerun, Etiopija in Angola). Porazdelitev vodne energije znotraj držav ni vedno idealna. Največ tehnično izvedljivih možnosti v Malaji je v Sarawaku (Borneo), medtem ko so največje potrebe po električni energiji na malajskem polotoku.

Obstajajo velike možnosti za vzdrževanje naraščajoče potrebe po električni energiji iz vodnih elektrarn; le-te je možno zadovoljiti z obnovo obstoječih vodnih elektrarn, od katerih so mnoge stare več kot 50 let. Predvidevajo, da bi bilo v Rusiji z obnovo možno zagotoviti dodatnih 17.400 MW (66.630 GWh/leto).

6 Hidroelektrarne

Hidroelektrarne v obratovanju

Okoli 23 % od skoraj 3000 GW inštalirane moči v svetu predstavljajo vodne elektrarne. Od približno 12.400 TWh/leto električne energije, ki se trenutno proizvede v svetu, odpade 64 % na termo elektrarne, 18,5 % (2300 TWh/leto) na vodne elektrarne, 17 % na jedrske elektrarne, medtem ko odpade preostalih 0,5 % na geotermalne in ostale. V letu 1950 so vodne elektrarne prispevale več kot 35 % električne energije, nato je ta delež do leta 1980 padel na 20 % , sedaj pa se je ustalil. (Upoštevati moramo, da se ti podatki nanašajo na “prave vodne” elektrarne in ne vsebujejo podatkov za prečrpovalne vodne elektrarne.)

Danes zagotavlja vodna energija približno 75 % električne energije v Južni Ameriki, 62 % v Kanadi, 99,5 % na Norveškem in več kot 95 % v najmanj desetih afriških državah. Po vsem svetu je v izgradnji okoli 100 GW (290 TWh/leto) novih vodnih elektrarn, kar predstavlja okoli 14 % od 690 GW vodnih elektrarn v obratovanju. Največ novih vodnih elektrarn se gradi na Kitajskem, v Indiji, Braziliji in Rusiji, sledijo pa Venezuela, Turčija, Argentina, Indonezija, Kolumbija in Romunija.

Kitajska je imela do konca leta 1994 inštaliranih 48.500 MW v vodnih elektrarnah, kar predstavlja okoli 25 % celotne inštalirane moči. V izgradnji je več projektov, med drugim mogočen projekt Treh sotesk (18200 MW), kakor tudi ostali veliki projekti - Ertan (3300 MW), Lijiaxia (2000 MW) in Xiaolangdi (1800 MW). Do leta 2000 bo inštalirana moč vodnih elektrarn na Kitajskem znašala do 70 GW (210 TWh/leto), do leta 2015 pa 140 GW (420 TWh/leto). To je do sedaj največji program izgradnje vodnih elektrarn v svetu.

Indija ima trenutno v vodnih elektrarnah inštaliranih 20.375 MW (okoli 25 % od možnih 84.044 MW), nadalnjih 10.000 MW je v izgradnji, še 28.000 MW pa projektirajo; podobno predstavlja vodna energija okoli 25 % vse proizvedene električne energije v državi.

Primerjava z ostalimi načini proizvodnje

Izkoristek, s katerim pretvarjajo vodne turbine energijo vode v mehansko, je na splošno med 85 in 95 %, kar je precej več, kot so vrednosti za vse ostale vrste elektrarn. Zaradi relativno velikih začetnih investicijskih stroškov in dolgega časa izgradnje so vodne elektrarne nizko rentabilne, kadar se odloča samo na podlagi kratkoročnih ekonomskih premislekov (ki temeljijo na obdobju od 10 do 20 let). Če pa vzamemo v ozir dolgo obratovalno dobo vodne elektrarne, zanesljivost in zmanjšane emisije CO2, postane vodna elektrarna pogosto najzanimivejša možnost na območjih z zadostnimi viri. Bilanca vseh stroškov alternativnih možnosti pridobivanja električne energije, večnamensko oblikovanje projekta s primerno razporeditvijo stroškov na funkcije, ki niso neposredno povezane z vodno silo, in razumna postavitev razvoja pa lahko še olajša to odločitev.

Zasebni sektor, ki financira energetske projekte, ni navdušen nad velikimi vodnimi elektrarnami, še posebej ne nad velikimi pregradami. Majhne do srednje obrežne vodne elektrarne je možno izvesti z izključno zasebnim kapitalom.

Prispevek vodne energije k svetovni proizvodnji električne energije znatno prekaša delež vseh ostalih komercialnih oblik novih in obnovljivih virov energije, ki znaša manj kot 0,5 %. Vendar pa je celotna energija, pridobljena iz nekomercialnih obnovljivih virov, občutno večja od energije iz vodne energije: okoli 60 % obnovljivih virov, ki jih sedaj izkoriščamo, predstavlja biomasa; velike vodne elektrarne predstavljajo 30 %; sodobna biomasa 8 %; in novi obnovljivi viri (sonce, veter, geotermalne energija, valovi, bibavica),


vključno z malimi vodnimi elektrarnami, manj kot 2 %. Tudi s pričakovanim občutnim razvojem komercialnih novih in obnovljivih virov energije v naslednjih desetletjih lahko pričakujemo, da bo vodna energija tudi v 21. stoletju še vedno ostala največji komercialni obnovljivi vir energije.

Proizvodni stroški električne energije (po enoti) iz vodne energije so v času celotne obratovalne dobe občutno nižji kot za katerokoli sedanjo tehnologijo pridobivanja iz novih in obnovljivih virov energije, kar odseva dejstvo, da so ostale tehnologije še v zgodnjih stopnjah razvoja.

Vplivi na okolje

Splošna skrb za okolje je takšna, da spodbuja razvoj in izgradnjo vodnih elektrarn, skrb za okolje na samem mestu izgradnje pa ga zavira. Vodne elektrarne, kot tudi ostale vrste elektrarn, lahko povzročajo velike negativne vplive na okolje in nejevoljo ljudi, če niso pravilno načrtovane. Kakorkoli že, pazljivo načrtovane vodne elektrarne predstavljajo izvor energije z blagim vplivom na okolje in lahko razen tega prinesejo tudi druge koristi.

Velike vodne elektrarne lahko prinesejo več koristi kot pa več malih, razkropljenih vodnih elektrarn. Vendar pa potrebujejo velike vodne elektrarne velike zajezitve, tako da so z ekonomskega in okoljevarstvenega stališča bolj praktične srednje vodne elektrarne obrežnega tipa (10 do 100 MW). Zaradi zakonskih omejitev morajo načrtovalci vedno bolj zmanjševati obsege projektov ali pa jih celo opuščati, hkrati pa morajo tudi minimizirati negativne vplive na okolje.

Negativnim vplivom vodnih elektrarn posvečajo v mnogih krajih vse večjo pozornost, medtem ko pozitivne vplive (kot so npr. preprečevanje poplav, kotrola toka reke in odsotnost emisij plinov tople grede) mnogokrat spregledajo ali celo zanemarijo. Pri poudarjanju izgradnje velikih zajezitev vedno bolj pozabljajo na dejstvo, da po vsem svetu uspešno obratuje na desettisoče vodnih elektrarn, od katerih mnoge sploh nimajo zajezitve.

Podatki za emisije CO2 v tonah pri proizvedeni GWh električne energije (vključno s potrebnim virom energije) so za posamezne vrste elektrarn naslednje: premog 964; olje 820; plin 484; geotermalne 57; male vodne elektrarne 8; jedrske 7,8; veter 7,4; fotoelektrične 5,4 in velike vodne 3,1. Vedno bolj se razpravlja o kaznih za elektrarne, ki onesnažujejo okolje, kar lahko povzroči uvedbo davka na onesnaževanje. Takšne kazni bodo vsekakor vzpodbudile razvoj vodnih elektrarn, še posebej velikih.

Razvoj vodnih elektrarn je sedaj eden bistvenih korakov v strategiji zmanjšanja učinka tople grede, še posebej v delih držav, kjer obstajajo veliki vodni viri (npr. Quebec, Kanada). Zaradi slabega sprejemanja javnosti je nove projekte težko načrtovati in graditi. Kljub vsemu je njihov celoten vpliv na okolje manj pomemben kot vpliv ostalih energetskih možnosti, medtem ko je lahko lokalni vpliv velik. Mnogi znotraj in izven vodnega gospodarstva skušajo zmanjšati ovire v komuniciranjih med inženirji in okoljevarstvenimi skupinami s tem, da vplivajo na boljše razumevanje o izgradnji vodnih elektrarn na tak način, da je njihove negativne vplive možno zmanjšati.

8 Hidroelektrarne

Majhne, mini in mikro hidroelektrarne

V državah v razvoju predstavlja izgradnja majhnih vodnih elektrarn, predvsem v lokalnem pomenu, najhitrejši način za povečanje elektrifikacije, izboljšuje življenjski standard, spodbuja razvoj industrije in povečuje pridelke na kmetijskih območjih. Vendar pa takšne načrte pogosto zavirajo visoki začetni stroški, pomanjkanje primernega financiranja in pomanjkanje lokalnega znanja.

Na majhne vodne elektrarne se pogosto gleda drugače kot na velike in srednje, kljub temu da je očitno, da imajo veliko skupnih značilnosti. Tehnologija ni samo zmanjšana izvedba velike elektrarne. V mnogih državah so pomembnejši preprosto obratovanje, možnost domače izdelave komponent in potreba po domači delovni sili pri izgradnji in obratovanju kot pa optimiranje izkoristka. Mnogi graditelji tudi upravljajo s tovrstnimi elektrarnami. Več kot 200 podjetij izdeluje opremo za majhne, mini in mikro elektrarne, mnogo držav pa izdeluje opremo posebej za mini vodne elektrarne.

Države imajo zelo različne definicije o tem kaj je majhna, kaj mini in kaj mikro vodna elektrarna. Najbolj običajna definicija je: majhna je manj kot 10 MW, mini je manj kot 1 MW in mikro je manj kot 100 kW. Vendar pa obstajajo občutna odstopanja: na Kitajskem so na primer elektrarne pod 25 MW “majhne”. Prav zaradi teh različnih pojmovanj je težko določiti svetovne možnosti za izgradnjo majhnih, mini in mikro elektrarn. Možnosti so nedoločene v mnogih državah v razvoju, kjer bi bile takšne elektrarne najbolj pomembne.

Zgodnji industrijski razvoj dežel kot sta Wales in Šri Lanka je temeljil na malih, osamljenih projektih vodnih elektrarn. Na Kitajskem sta bila izgradnja majhnih vodnih elektrarn in uporaba mini omrežij pomembna gradbena kamna v izgradnji podeželskih električnih omrežij. Na Kitajskem je sedaj okoli 55000 “majhnih” vodnih elektrarn (moči manjše od 25 MW), kar predstavlja okoli 70.700 delujočih enot s skupno inštalirano močjo 15.055 MW v letu 1993; ta inštalirana moč narašča za približno 1000 MW na leto in bo do leta 2000 dosegla 25 GW (75 TWh/leto).

Predvidevajo, da ima v Nepalu od mini in mikro elektrarn koristi okoli milijon ljudi; tam so takšne hidroelektrarne, ki temeljijo na lokalni proizvodnji, priznane kot edini način, s katerim pridejo kmetijske skupnosti v gorah do električne energije, saj je širjenje državnega električnega omrežja neekonomično. Zgradili so sisteme, katerih cena znaša, kljub velikim transportnim stroškom, med 1200 in 2000 US$ za inštaliran kW. Vietnam ima približno 2500 enot z izhodno močjo do 100 kW, kar znaša skupno od 100 do 200 MW, ki služijo za namakanje in izsuševanje, kakor tudi za pridobivanje električne energije za okoli 200.000 gospodinjstev; obstaja pa še nadalnjih 400 do 500 enot z močjo, manjšo od 0,5 kW.

Majhne vodne elektrarne ne zahtevajo veliko časa za načrtovanje in izgradnjo. Pogosto je njihov kvarni vpliv na okolje minimalen, uporabimo lahko poceni naprave in materiale, prav tako pa je tudi opremo relativno lahko nabaviti in izdelati. Kot pri vseh vodnih elektrarnah je tudi tukaj tehnologija preizkušena, obstaja mnogo možnosti za obnovo; nadomeščajo pa tudi več onesnažujočih virov energije. Pobude za izboljšanje izkoristkov in kakovosti v sistemih oskrbe s pitno vodo in namakalni projekti odpirajo mnoge možnosti za razvoj mini vodnih elektrarn.

Zaradi dolge življenjske dobe majhnih hidroelektrarn se lahko zgodi, da jih električno omrežje doseže, vendar pa draga oprema za povezavo pogosto prepreči povezavo z omrežjem. Kljub vsemu je v zadnjih letih ocena vrednosti obnovljive energije olajšala


vključitev majhnih vodnih elektrarn v omrežja v državah, kot so Šri Lanka, Velika Britanija in Nemčija. V Nemčiji in Švici napaja sedaj omrežje več kot 400 mini vodnih elektrarn.

Možnosti za tehnične inovacije so pogosto večje v majhnih sistemih. V zadnjih letih je uporaba bremensko vodenih regulatorjev in kasneje asinhronskih generatorjev z bremensko regulacijo občutno spremenila tehnologijo sistemov z otočnim obratovanjem. Takšna bremensko vodena regulacija namesto pretočno vodene regulacije se pokaže v prihrankih pri izdelavi zapornic, turbin in stikalnih sistemov ter v pretvorbi za povezavo z omrežjem.

Pomen prečrpovalnih elektrarn

Shranjevanje energije je pomembno za elektrarne, ki zagotavljajo električno energijo v pasu (termoelektrarne in jedrske elektrarne), da lahko delujejo z največjim možnim izkoristkom. Že mnoga desetletja so prečrpovalne vodne elektrarne največ uporabljali za shranjevanje velikih količin energije, kar se prav tako pričakuje v bližnji prihodnosti. Prečrpovalne vodne elektrarne so v začetku uporabljali samo za shranjevanje energije in za pokrivanje konic, sedaj pa so postale pomembno in vsestransko orodje za vodenje.

Nudijo nam:

• nadzor nad močjo in frekvenco v omrežju; • skoraj trenutno rezervo za več ur v primeru nepričakovanega izpada električne energije; • hiter sprejem odvečne moči v primeru nenadnega izpada velikega bremena; • preizkušeno zanesljivost, visoko razpoložljivost in dolgo življenjsko dobo (kot vse

ostale vodne elektrarne); • visoke prihranke, ki so posledica boljšega izkoriščanja elektrarn, ki zagotavljajo

energijo v pasu.

Prečrpovalne elektrarne so odvisne od odvečne električne energije iz elektrarn za bazično moč (termoelektrarne in jedrske elektrarne), da lahko črpajo vodo v svoje zgornje zbiralnike. Te elektrarne so omrežni porabniki električne energije in zato moramo podatke, ki se nanašajo nanje, obravnavati posebej in ne skupaj s podatki običajnih vodnih elektrarn.

Trenutna inštalirana moč prečrpovalnih elektrarn je okoli 89.000 MW (kar je 3 % skupne inštalirane moči vseh elektrarn po svetu). Nadaljnjih 27.000 MW je v izgradnji, še več GW pa je v fazi planiranja, še posebej na Kitajskem, Japonskem in v ZDA.

Zanimivo je, da v zadnjih raziskavah po čim cenejših prečrpovalnih postajah načrtujejo tudi uporabo zapuščenih rudniških jaškov za podzemne spodnje zbiralnike kakor tudi razvoj pogonski strojev s spremenljivimi hitrostmi ter veliko zmogljivostjo in velikimi vstopnimi cevmi. Nekaj takšnih enot že deluje na Japonskem, podobne raziskave pa potekajo v ZDA.

Za zgled, kako je moč s prečrpovalnimi elektrarnami bistveno poseči v način obratovanja elektroenergetskih sistemov, se lahko ozremo tudi k bližnjim sosedom.

Razmišljanja o ekoloških prednostih kakor tudi tehnične in ekonomske prednosti, lahko pripeljejo do vključevanja prečrpovalnih elektrarn v omrežja, v katerih delujejo elektrarne malo nad bazično obremenitvijo. Zahteve po električni energiji in njena proizvodnja se uravnavajo izključno s polnjenjem in praznjenjem različnih sistemov shranjevanja energije, še posebej prečrpovalnih elektrarn. S tem postaja v bližnji prihodnosti izvedljiva izgradnja večjih elektrarn na sončno energijo, kar bi vodilo k novi funkciji prečrpovalnih elektrarn, saj bo moč sončnih elektrarn občutno nihala.

10 Hidroelektrarne

LITERATURA




[4] Komisija Svetovnega energijskega sveta, Energija za jutrišnji svet, Slovenska izdaja, Ljubljana 1994


[6] A. Crnjac, Energetski pretvorniki, Tehniška fakulteta, Maribor 1994

[7] S. Mikulec, Hidroelektrarne, Tehnička enciklopedija VI, Zagreb 1979


2. TERMOELEKTRARNE

Paro, ki ima primerne parametre za pogon strojev, turbine ali za proces, proizvajamo v kotlu, kjer se prenaša toplota primarnih virov energije na vodo. Poznamo dva izvora energije, ki dajeta zadostno količino toplote - zgorevanje fosilnih goriv in jedrska reakcija. Lahko pa prištevamo k termoelektrarnam še tiste, pri katerih uporabljamo neposredno paro iz zemlje, pa tudi dieselske termoelektrarne.

Zgorevanje fosilnih goriv je hitra eksotermna kemična reakcija med kisikom iz zraka in elementi iz goriva. V osnovi sta dva elementa, ogljik in vodik, ki reagirata s kisikom:

1 kg C + 2,667 kg O2 → 3,667 kg CO2 + 32,78 MJ

1 kg H2 + 8 kg O2 → 9 kg H2O + 142,1 MJ

Preglednica 2.1: Povprečna sestava čistega suhega zraka

Plin Volumski % Utežni %

dušik 78,09 75,51

kisik 20,95 23,61

žlahtni plini 0,95 1,28

ogljikov dvokis 0,03 0,05

Za popolno zgoretje 1 kg ogljika (vodika) potrebujemo tako 2,66 kg (8 kg) kisika, kar pri normalnem tlaku in temperaturi pomeni 11,5 kg (34,5 kg) zraka. Običajno merimo pline s prostornino - za popolno zgoretje 1 kg ogljika (vodika) potrebujemo 1,86 m3 (5,6 m3) kisika oziroma 8,88 m3 (26,73 m3) zraka.

Pogoji za reakciji sta dovolj visoka začetna temperatura, primerno mešanje zmesi in dovolj časa, da pride do popolne reakcije. Vžigne temperature so od 400 do 600 °C za večino klasičnih goriv.

Kurilne vrednosti in sestava posameznih naftnih derivatov, plinastih goriv in premogov so navedene v preglednicah na naslednjih straneh.

12 Termoelektrarne

Preglednica 2.2: Vžigne temperature nekaterih goriv

Gorivo Vžigna temperatura [°C]

oglje 343

črni premog 407

antracit 450-600

etan (C2H6) 470-630

etilen (C2H4) 480-550

vodik (H2) 575-590

metan (CH4) 630-750

ogljikov monoksid (CO) 610-657

Preglednica 2.3: Sestava in kurilne vrednosti naftnih derivatov

Vrsta derivata % Utežna sestava Zgornja kurilna vrednost

C H2 O2 +N2 S pepel (kcal/kg) (MJ/kg)

kurilno olje 86,5 12,7 0,2 0,7 sledi 10.800 45,2 lahko olje 86 12 0,5 1,5 0,02 10.500 43,96 mazut 85,75 10,5 0,9 3 0,08 10.150 42,5 petrolej 83,5 10,9 2,2 3,6 - 9665 40,47 katran 89,5 6,7 3,5 0,6 - 9020 37,77

Preglednica 2.4: Sestava in kurilne vrednosti plinastih goriv

Plinasta goriva Sestava (utežni odstotki) Zgor. kuril. vred. CO H2 CH4 CnHm CO2 N2 O2 (kcal/kg) (MJ/kg)

vplinjeni premog

4,7 2,5 38,5 35,9 10,3 7,3 0,8 8640 36,2

vplinjeni koks 71 6,4 0,3 - 14 8,3 - 3560 14,9 generatorski plin 31 0,9 0,2 - 8 59,1 - 985 4,12 zemeljski plin - - 63-88 6-29 0,5-8 0,5-7,3 - 9000-

11.050 37,6-46,2

plavžni plin 30 0,2 1,3 - 14 55 - 5900 24,69 Preglednica 2.5: Sestava in kurilne vrednosti trdnih goriv


Trdna goriva Zgornja kurilna vrednost Pepel Vlaga Plinaste komponent

e (kcal/kg) (MJ/kg) [%] [%] [%]

antracit 7600-8100 32-33,9 koks 6900-7000 28-29,3 črni premog 5000-6700 21-28 rjavi premog 3600-4800 15-20 lignit 2300-3100 10-13 šota 2600-3000 11-12,5 1-2 37-45 38-40 les 4200-5400 17,5-22,6 0,5-3 10-20 75 lesni odpadki, lubje 3300 13,8 2 15 70 slad. trs kot gorivo 2200-4860 9,2-20,3 1,3 40 45

Preglednica 2.6: Sestava in kalorična vrednost črnih premogov

Dežela Tipična analiza [%] Zgor. kalor. vred. vlaga plin. kompon. ogljik pepel (kcal/kg) (MJ/kg)

Avstralija 0,5-2,6 30-37 50-65 11-15 6500-7300 27-30,5

Južna Afrika 2-5,5 16-27 50-70 9-16 5900-6800 24,5-28,5

Kanada 1,4-4 25-34 51-62 10-12,5 7000 29,3

Kitajska 2,5-5,4 25-30 40-45 20-31 5200-6000 22-25

Poljska 4-17 21-32 40-59 6-22 4500-7500 16,7-31,4

Velika Britanija 0,7-7,5 11-36 57-85 2-4 7400-8000 31-33,5

Združene države Amerike

1,5-3,5 20-40 60-80 5-9 7700 32,2

Proizvodnja električne energije v termoelektrarnah sloni na večkratnem preoblikovanju energije.

kotelgorilnikreaktor

turbina generator

kemična alijedrskaenergija

porabniki pare

toplotnaenergija

mehanskaenergija električna

energija

Slika 2.1: Pretvarjanje energije v termoelektrarnah

14 Termoelektrarne

2.1 Parne turbine

V konvencionalni termoelektrarni dobi delovna snov (voda) toploto iz kemičnih reakcij med gorivom in zrakom. Voda odda toploto po opravljenem delu pri neki nižji temperaturi. V pV diagramu predstavlja opravljeno delo površina znotraj zaključene krivulje. Izkoristki posameznih vrst strojev (parni, bencinski, dieselski, reakcijski) so različni, nobeden pa zdaleč ne dosega 100 %.

Idealni stroj, ki ima največji možni izkoristek, je leta 1824 patentiral francoski inženir Sadi Carnot. Od ostalih strojev se razlikuje po tem, da je omejen z dvema izotermama in dvema adiabatama. Vsa toplota je dovedena pri določeni (stalni) visoki temperaturi in odvedena pri določeni (stalni) nizki temperaturi. Za vse povratne procese je določena entropija z

izrazom: dS dQT

=

Carnotov krožni cikel je sestavljen iz naslednjih delnih procesov:

Izotermna ekspanzija 1 → 2 Qdov = Q12 = T(S2 - S1)

Adiabatna ekspanzija 2 → 3 Q23 = 0

Izotermna kompresija 3 → 4 Qodv = Q34 = T0(S2 - S1)

Adiabatna kompresija 4 → 1 Q41 = 0

A

43

21

V

p

T

T0

Qdov-Qodv

4 3

21

S

TT

T0

ΔS

Slika 2.2: Carnotov krožni cikel v pV diagramu

Slika 2.3: Carnotov krožni cikel v TS diagramu

Termični izkoristek je pri Carnotovem stroju odvisen le od razlike temperature.

η ηc thodv

dov

AQ

QQ

TT

= = = − = −12

01 1 ( T [K] )

Tudi realne turbine imajo tem boljši izkoristek čim višja je temperatura. Dandanes so tipični tlaki in temperature 41,5 kPa in 545 °C v termoelektrarni s ponovnim pregrevanjem pare (TE Šoštanj V - 345 MW. Izkoristek je 37 %, brez čistilne naprave). Nekaj tipičnih toplotnih shem je na slikah od 2.4 do 2.6.


turbina

para

kotel G

kondenzator

Slika 2.4: Toplotna shema elektrarne manjše moči brez pregrevanja

generator

turbina

Gkotel

kondenzator

Slika 2.5: Toplotna shema običajne termoelektrarne na trda goriva s ponovnim pregrevanjem

generator

reaktor

turbina

turbina

G

kondenzatorpregrevalnikpredgrevalnik

Slika 2.6: Toplotna shema tlačnovodnega ali vrelnega reaktorja

16 Termoelektrarne

2.2 Plinske turbine

V zadnjih desetletjih je veliko elektrogospodarskih podjetij postavilo plinske turbine velikosti do 120 MW. Osnovni namen je bil kritje konice ali vroča rezerva za zanesljivo napajanje, ponekod, kjer je gorivo poceni, pa tudi za osnovno oskrbovanje z električno energijo. Veliko industrijskih podjetij uporablja plinske turbine za sočasno proizvodnjo električne energije in toplote.

Največja prednost plinske turbine pred parno so majhni začetni stroški, hitra izgradnja, majhni zagonski časi in sposobnost za uporabo velikega spektra goriv od težkega olja do zemeljskega plina.

Slabosti sta slab izkoristek (18-25 %) brez dodatnih ukrepov ter omejena velikost.

V odprtem procesu doteka zrak (kompresor) iz okolja, zgori z gorivom v zgorevalni komori ter gre skozi turbino spet v okolico (sliki 2.7 in 2.8).

MG

zgorevalnakomora

kompresor

zrak

gorivo

turbina

Slika 2.7: Shema preproste plinske turbine

Slika 2.8: Prerez zgorevalne komore

mešalno področje

gorivo

svečka

vroči pliniza turbino

zgorevalno področje

zrak izkompresorja

zračni pretok okolizgorevalne komore


V zaprtem procesu kroži zrak (ali plin) v zaprtem krogu. Toploto dovajamo z izmenjevalcem iz zunanje zgorevalne komore.

Slika 2.9 kaže idealni pV diagram za turbino in kompresor. V resnici je v turbini pridobljeno delo manjše od idealnega izotropnega izkoristka turbine in v kompresor vloženo delo večje od idealnega izkoristka kompresorja.

p2

p1

Tlak

Prostornina

adiabatna ekspanzijav turbini

adiabatna kompresijav kompresorju

povečanje prostornine obzgorevanju goriva

razmerje r = p2/p1

Slika 2.9: pV diagram za idealno plinsko turbino

Plinska turbina ne more pričeti delovati samostojno; imeti mora dovolj veliko hitrost za delovanje kompresorja. Pogosto uporabljamo generatorski vzbujevalnik kot zagonski motor. Izkoristek močno pada z zmanjševanjem obremenitve.

Od leta 1960 se pogosto uporabljajo letalski reakcijski motorji kot plinske turbine tako, da je reakcijski pogonski del zamenjan s turbino z visokim izkoristkom. Razvoj te vrste turbine uporablja raziskave letalske industrije tako, da se en ali več reakcijskih motorjev “prazni” skozi plinsko turbino. Takšne enote so poceni, kompaktne in imajo izredno hitre zagonske sposobnosti (do polne moči v 2 minutah). Po demontaži iz aviona (zaradi varnostnih predpisov) in ob malenkostni predelavi (zaradi večjega pritiska ob tleh) lahko deluje še 20 do 25 tisoč ur.

Zgorevalno komoro klasične plinske turbine lahko nadomestimo z batnim plinskim motorjem, ki proizvede vroč plin za pogon turbine. Največja prednost je boljši skupni izkoristek (30-35 %) vendar so višji tudi cena in stroški vzdrževanja. Nekaj takih elektrarn z močjo med 1 in 10 MW uspešno deluje.

18 Termoelektrarne

2.3 Dieselski agregati

Generatorje, gnane z dieselskimi agregati, uporabljamo v glavnem v treh primerih:

• Za osnovno oskrbovanje z električno energijo na področjih, kjer ni električnega omrežja, ali kot neodvisni izvor za zagotavljanje varnostnega napajanja, kjer obstaja javno omrežje.

• Za pokrivanje konične obremenitve, ko želimo zmanjšati stroške oskrbe iz javnega omrežja.

• Za rezervno napajanje (vroča rezerva).

Hitrost vrtenja gredi določa težo, velikost in ceno v primerjavi z močjo:

visoki vrtljaji več kot 1000 min-1

srednji vrtljaji 400 - 1000 min-1

nizki vrtljaji do 400 min-1

Največje moči dieselskih elektrarn za primarno napajanje so med 150 in 200 MW. Velikosti posameznih enot so od 1 kW do 30 MW. Najpogostejše velikosti za vse tri kategorije uporabe so med 250 kW in 3,5 MW pri srednjih in visokih vrtljajih.

Izbira vrtljajev je odvisna od zanesljivosti v primerjavi z ekonomičnostjo. Zanesljivost je odvisna od zmožnosti motorjev, števila enot in velikosti v primerjavi s povprečno obremenitvijo. Zaradi sinhronizacije na javno omrežje so vrtljaji pri dvopolnih generatorjih 3000 min-1 (3600 min-1 ) ter 750 min-1 (oz. 900 min-1) pri osempolnih generatorjih.

Osnovni princip delovanja je vbrizgavanje goriva v polnitev zgoščenega zraka ter spontani vžig zaradi temperature, ki je posledica komprimiranja zmesi. V procesu se pretvarja toplotna (kemična) energija goriva (tekočega) v mehansko energijo. Poznamo štiri in dvo-taktni način (sliki 2.10 in 2.11). Pri dvotaktnem motorju imamo delovni takt pri vsakem obratu gredi, pri štiritaktnem pa pri vsakem drugem obratu. Izkoristek dvotaktnega ni podvojen zaradi nepopolnega zgorevanja (mešanje zgorele in nezgorele zmesi s svežim zrakom).

Kot gorivo uporabljamo pri motorjih z notranjim zgorevanjem frakcije destilacije ali lahka oz. težka olja.

Visokotlačni motor lahko obratuje z dvojnim gorivom: plin in zrak zgorita v zgorevalni komori ob vbrizgu majhne količine lahkega bencina (od 5 do 10 % polnjenja). Takšno razmerje je skoraj neodvisno od obremenitve. Če zmanjka plina ali ga ni zadosti za zahtevano obremenitev, se poveča poraba tekočega goriva. Možen je preklop iz obratovanja z dvojnim gorivom v dieselski režim in obratno pri katerikoli obremenitvi.

Motor z vžigalno svečko lahko obratuje na plinasta goriva, kot so zemeljski plin, propan ali bioplin.


Slika 2.10: Štiritaktni motor Slika 2.11: Dvotaktni motor

1: sesalni gib 2: kompresijski gib

3: delovni gib 4: izpušni gib

b c

d

e

af

prostornina

tlak tlak

prostornina

a

fe

c d

b

stisk zraka, gorenje in ekspanzija plinov

zaprta izpušnaodprtina

odprta dovodnaodprtina

1: polnilni in gorilni gib

2: praznilni in začetni gib

vstop čistilnega zraka

izpuhzaprta dovodna

odprtina

f

a

b

a

b, c

d, e

f

e

a-b Praznjenje in začetekb-c Kompresija

Gib 1

c-d Zgorevanjed-e Ekspanzijae-f Izpuh in odpiranje ventilaf-a Izpuh in čiščenje

Gib 3

f-a Dotok svežega polnjenja Gib 1

a-b Kompresija Gib 2

b-c Zgorevanjec-d Ekspanzijad-e Odpiranje ventila

Gib 3

e-f Izpuh Gib 4

20 Termoelektrarne

2.4 Sočasna prozvodnja toplote in električne energije

Pretvorba toplote v električno energijo ima slab izkoristek bolj zaradi naravnih zakonov kakor zaradi tehnoloških znanj. Termični izkoristek najmodernejših termoelektrarn ne presega 40 % in 60 % energije goriva se pojavlja kot neuporabna toplota. Nasprotno je pretvorba energije v toploto relativno dobra. Večina industrijskih kotlov za proizvodnjo procesne toplote ima izkoristek tudi precej nad 80 %.

Na splošno potrebujemo oboje, električno energijo in toploto; združitev obojega v eni napravi je atraktivna. Prednost takšne sočasne proizvodnje je večji izkoristek primarnega goriva. Težava je povezava oskrbe porabnikov s toploto in električno energijo. V praksi cena določa sočasno ali ločeno proizvodnjo.

Medtem ko je možno proizvedeno električno energijo transformirati na tisti napetostni nivo, kjer jo potrebujejo, temperature, pri kateri je toplota predana porabnikom, ni mogoče povišati brez povečanja količine dobavljene energije. Razen temperature je pomembno še razmerje med toploto in električno energijo.

Uporabniki sočasne pretvorbe so industrijski procesi in daljinsko ogrevanje. Običajno je procesna toplota zaželena pri konstantni temperaturi in to kot para, ki ima visoko latentno toploto. Za daljinsko ogrevanje je vroča voda boljši medij za transport toplote do porabnikov.

Najpomembnejša je pri uporabi sočasne proizvodnje električne energije in toplote povezava bremen. Bremena bolj ali manj neodvisno poljubno nihajo elektrarna pa mora biti sposobna pokriti najvišjo in najmanjšo porabo. Oblika zahtevane energije vpliva na razmerje in na izbiro pogonskega stroja za generator.

generator

turbina

Gkotel

procesna para

kondenzator

Slika 2.12: Sočasna proizvodnja pare in električne energije


Parne turbine

Pri parnih turbinah je največji del energije primarnega goriva, ki ni preoblikovan v električno energijo, zavržen kot nizko temperaturna toplota s hladilno vodo. Gre za ogromne količine vode pri temperaturah 25-45 °C. Edini možni uporabniki so ribogojnice ali talno gretje. Hladilno vodo vodijo nazaj v naravni izvor (reke), kjer je bila odvzeta, ali kjer to ni možno, jo hladijo z zrakom v hladilnem stolpu. Če želimo dobiti uporabno toploto, jo je treba odvzeti pri višji temperaturi, kot je temperatura kondenzatorja (včasih pred ekspanzijo, včasih po delni ekspanziji v turbini (slika 2.12)). Če po uporabi vroč kondenzat iz procesa vrnemo v kotel, je možno doseči več kot 80 % termični izkoristek. Tipična velikost naprave je 2 MW, spodnja meja 500 kW in zgornja 15 MW. Tipični parametri pare so 28 barov in 400 °C pri malih in 63 barov in 480 °C pri največjih.

Dieselski motorji

Dieselski motorji so relativno ekonomični pogonski stroji vendar zavržejo okoli 55 % energije goriva v obliki toplote: 25 % za hlajenje in približno 30 % za segrevanje atmosfere z izpušnimi plini, ki imajo temperaturo 400 °C in več. Če gredo izpušni plini skozi kotel, lahko del te neizrabljene energije uporabimo za pridobivanje pare za procese oziroma ogrevanje. Kadar lahko uporabimo to paro in toploto iz hladilnika motorskega bloka, je izkoristek več kot 70-odstotni.

Da bi preprečili korozijo v kotlu zaradi kislin v izpušnih plinih, temperatura le-teh ne sme pasti pod rosišče. V odvisnosti od goriva je to okoli 175 °C. Najvišja temperatura je odvisna od minimalne razlike med izpušnimi plini in paro. Običajni tlak je 8 barov.

Izpušni plini dieselskega motorja vsebujejo obilo kisika - dvakrat več zraka gre skozi motor, kot ga je teoretično potrebno za zgorevanje. V izpušnih plinih je zato možno kuriti dodatno gorivo.

Običajno so vložena sredstva za dieselski motor in kotel na izpušne pline manjši kot za konvencionalni kotel in parno turbino - potrebuje pa več vzdrževanja in ima manjšo zmogljivost. Velikosti takšnih naprav so med 1 in 5 MW v eni ali več stopnjah in oddajajo električno energijo v javno omrežje.

Plinsko-parni kombinirani proces

Plinska turbina je relativno slab energetski pretvornik, saj ima izkoristke od 18 do 30 %, odvisno pač od velikosti in enostavnosti. Največ energije goriva se pojavi v izpušnih plinih, katerih temperatura je lahko 500 °C ali več. Zato pa je možno te pline porabiti v izmenjevalcu toplote za paro pri visokih temperaturah (slika 2.13). Razmerje zmesi zraka in goriva je običajno 70 : 1, kar pomeni, da je dovolj tudi kisika za dodatno zgorevanje.

Znani so Siemensovi kombinirani postroji, ki jih gradijo po fazah.

22 Termoelektrarne

plinska turbinas kompresorjem

gorivo

zrak

generator

dimnik

kotel

para

parna turbina

generator

kondenzator

vroč plin

G

G

Slika 2.13: Plinsko-parni kombinirani proces

Sočasna proizvodnja toplote in električne energije

Sočasna proizvodnaj električne energije in toplote pomeni kombinacijo vseh teh možnosti. Običajno je postroj za manjše moči (do 30 MW) zgrajen iz nekaj plinskih turbin ali motorjev na dvojno gorivo, parne turbine, odvzema pare pri različnih parametrih ter izrabe odpadne toplote za ogrevanje. Takšne postroje, ki dosegajo izkoristke primarnega goriva tudi močno čez 80 %, najdemo za tovarniškimi ograjami. Če morajo obratovati samostojno, brez povezave z javnim električnim in/ali toplotnim omrežjem, morajo imeti nekaj motorjev ali turbino za vročo rezervo.

proizvodnja pare

tekoče ogrevanje

neposredno ogrevanje

posredno ogrevanje

generator

toplotnaenergijauvod zraka

kompresor turbina

gorivo

G

Slika 2.14: Sočasna proizvodnja električne energije in toplote


Na sliki 2.15 so primerjalno prikazani izkoristki za odprti krog plinske turbine, kombinirani plinsko-parni proces in sočasno proizvodnjo električne energije in toplote.

63,75 %

36,25 %

moč plinsketurbineneuporabljenatoplota

35,60 % 10,00 %

54,40 %

neuporabljenatoplotamoč plinsketurbine

moč parneturbine

a) b)

41,20 %

5,00 %

18,20 %

35,60 %

neuporabljena toplota

moč plinske turbine

moč parne turbine

procesna toplota

c)

Slika 2.15: Toplotne sheme in izkoriščanje primarnih virov:

a) v plinski turbini b) v kombiniranem plinsko-parnem procesu c) pri sočasni proizvodnji toplote in električne energije

24 Termoelektrarne

LITERATURA





[5] A. Crnjac, Energetski pretvorniki, Tehniška fakulteta, Maribor 1994



3. JEDRSKE ELEKTRARNE

Konec leta 1994 je po podatkih Informacijskega sistema nuklearnih elektrarn (Power Reactor Information System - PRIS), pridobljenih s strani Mednarodne agencije za jedrsko energijo (International Atomic Energy Agency - IAEA), v svetu delovalo 432 jedrskih elektrarn s skupno inštalirano močjo 340.347 MW, kar je okoli 17 % vse moči v svetu. V letu 1994 so bile v omrežja Kitajske, Japonske, Republike Koreje in Meksika vključene štiri nove jedrske elektrarne. Dve elektrarni so zaprli: eno v Franciji in eno v Veliki Britaniji; hkrati so začasno ustavili izgradnjo treh reaktorjev. V izgradnji je 48 jedrskih reaktorjev s skupno močjo 38.876 MW. Skupne izkušnje v obratovanju jedrskih reaktorjev so dosegle več kot 7200 reaktorskih let. V letu 1994 je bilo v 31 državah po celem svetu v obratovanju ali v izgradnji 480 jedrskih elektrarn.

Največji del (29 %) svetovne inštalirane jedrske energije je v ZDA, sledita Francija s 17 % in Japonska z 11 %. Nemčija doprinaša 6,7 % inštalirane moči, sledi ji Rusija s 5,8 %, Kanada s 4,6 %, Ukrajina s 3,7 % , Velika Britanija s 3,4 % in Švedska z okoli 3 %. Glede na delež jedrske energije v celotni nacionalni proizvodnji električne energije vodi Litva, kjer je bilo v letu 1994 okoli 76 % električne energije proizvedene v jedrskih elektrarnah, sledi ji Francija s 75 %, Belgija s 56 %, Švedska z 49 % in Slovaška z 49 %, še v dvanajstih državah pa je delež električne energije, proizvedene v jedrskih elektrarnah, predstavljal več kot 25 %. V zadnjih letih v svetovnem razvoju jedrske energije ni prišlo do kakšnih temeljnih sprememb. Večina držav z jedrskimi programi je sledila vpeljanim načrtom za razširitev doprinosa jedrskih elektrarn k njihovi proizvodnji električne energije.

Na kratek rok so možnosti razvoja jedrskih elektrarn dokaj jasne, kajti enote, ki naj bi bile predane v uporabo konec stoletja, so že v izgradnji. Če vzamemo v obzir nekatere negotovosti, ki se nanašajo na izgradnjo in na čas koncesije, bo količina jedrskih elektrarn naraščala med 9 in 12 % v obdobju od 1993 do 2000 in bo v letu 2000 dosegla v svetu inštalirano moč med 365 in 375 GW. Večina novih jedrskih elektrarn bo začelo delovati v Aziji ter v vzhodni in srednji Evropi. V zahodni Evropi in v Severni Ameriki bodo po dodatnih jedrskih elektrarnah kakor tudi proizvodnji električne energije za pokrivanje osnovne obremenitve potrebe majhne, kajti potrebe po električni energiji ne bodo bistveno naraščale. V ostalih delih sveta bo jedrska energija do leta 2000 še vedno predstavljala relativno majhen delež v proizvodnji električne energije.

Kljub vsemu nekatere države še vedno večajo količino električne energije proizvedene v jedrskih elektrarnah, nekatere so odločne nasprotnice jedrske energije, nekatere pa so zavzele stališče “čakati in videti”. Pri poskusu napovedati prihodnost jedrske energije je treba raziskati dejavnike, ki podpirajo različna stališča. Najpomembnejši dejavnik so splošno sprejeta pričakovanja, da bo v naslednjih desetletjih v svetu potrebno, kljub željam in naporom za ohranitev okolja, občutno povečati uporabo jedrske energije za proizvodnjo električne energije. Ta pričakovanja izhajajo iz razumevanja, da je energija (še posebej električna) bistvena za ekonomski razvoj in dvig življenjskega standarda.

Trenutno obstaja precej tehnologij za proizvodnjo električne energije, ki temeljijo na zgorevanju fosilnih goriv, obnovljivih energetskih virih in jedrski energiji, ki so na voljo oziroma v razvoju. Dejavniki, ki bodo vplivali na mešanico teh tehnologij v prihodnjih sistemih za proizvodnjo električne energije, vsebujejo ekonomiko, zanesljivost dobave in vplive na zdravje oz. okolje.

26 Jedrske elektrarne

Srednjeročno in dolgoročno bo na razvoj jedrske energije vplivala cela vrsta dejavnikov. Na razpolago so tehnologije za reaktorje in ugodnosti zgorevalnih ciklov, kakor tudi zadostni viri goriv, ki bodo vzdrževali širok obseg razvoja jedrske energije po celem svetu. Omejitve razvoja jedrske energije so bolj zakonske in organizacijske kot pa tehnološke. Glavni razlogi za ponoven razcvet jedrske energije so: • zmanjšanje zaskrbljenosti javnosti kar zadeva varnost in upravljanje z odpadki; • ustanovitev primernih mehanizmov za prilagoditev in prenos tehnologije; • financiranje za pospešitev izvajanja programov jedrske energije v državah v razvoju,

kjer je največja potreba po naraščajoči dobavi električne energije.

Jedrske elektrarne sedanje generacije že zagotavljajo visok nivo varnosti, ki temelji na vgrajenih redundancah, zanašajoč se na desetletja izkušenj s preizkušenimi tehnologijami in tehnikami. Naprednejše reaktorje načrtujejo in razvijajo z novimi pristopi, nanašajočimi se na izziv, ki ga prinašajo naraščajoče zahteve in potrebe po varnosti, med drugim z uporabo več sistemov pasivne varnosti, z namenom zmanjšati verjetnost nesreč in zagotoviti zelo majhne vplive v primeru možnih nesreč. Na podlagi mednarodnih izkušenj je bilo doseženo soglasje glede standardov za jedrsko varnost. Pod vodstvom IAEA je bila v letu 1994 ustanovljena mednarodna Konvencija za jedrsko varnost, ki jo je do sedaj podpisalo 56 držav; pričakujejo, da bo konvencija začela veljati v prvi polovici 1996. Tehnične možnosti za končno odlaganje visoko radioaktivnih odpadkov so bile razvite in preizkušene v laboratorijih. Kljub temu da jih še niso v popolnosti izvedli, so bile obsežno ocenjene z ekonomskega in varnostnega vidika. Uporaba odlagališč za visoko radioaktivne odpadke, ki je v nekaterih državah načrtovana na začetek prihodnjega stoletja, bo pokazala možnost obravnavanja problema z zadovoljujočim nivojem varnosti tako za sedanje kakor tudi za prihodnje generacije. Vsi ti pozitivni elementi bodo povečali sprejemanje jedrske energije s strani javnosti in pospešilo njeno širšo uporabo.

Naraščajoče se zavedanje možnih vplivov človeških posegov na zdravje in okolje je že vodilo k razvoju čistejših in bolj učinkovitih tehnologij. Izvedbe čistilnih naprav in naraščajoči izkoristki jedrskih elektrarn so občutno zmanjšali emisije in druge ostanke iz verige fosilnih goriv, kljub naraščanju stroškov proizvodnje električne energije iz teh virov.

Predpisi o jedrski energiji so zelo strogi, dovoljene emisije so zelo majhne, kar zagotavlja malenkostna tveganja za delavce in prebivalstvo. Kriteriji za izgradnjo zmanjšajo tveganje in posledice nesreč na najmanjšo možno mero. Potemtakem so pravzaprav vsi stroški, povezani s proizvodnjo električne energije v jedrskih elektrarnah, že upoštevani v električnih tarifah, ki jih plačujejo porabniki.

Ne preseneča, da dosegajo največje zmanjšanje emisij CO2 tisti procesi, ki imajo velik delež jedrske energije. To se je dramatično pokazalo v primeru Francije, kjer se je med letoma 1980 in 1992 z izvedbo jedrskega programa emisija CO2 zmanjšala za 60 %, SO2 za 77 %, NOx za 60 % in trdih delcev za 86 %. Vsaka teravatna ura (TWh) električne energije, proizvedena iz premoga, proizvede milijon ton CO2, kar pomeni, da smo se v letu 1994, s proizvodnjo 2100 TWh v jedrskih elektrarnah izognili 2100 milijonom ton CO2, ki bi se pojavile, če bi električno energijo proizvajali v termoelektrarnah na premog. Po celem svetu bi v obdobju 20 let, od 1974 do 1993, potrebovali za proizvodnjo električne energije, ki je bila proizvedena v jedrskih elektrarnah (23.660 TWh) 8200 milijonov ton premoga ali 5400 milijonov ton olja ali pa 6000⋅109 kubičnih metrov zemeljskega plina.

Jedrske elektrarne in še bolj obnovljivi viri zelo malo prispevajo k atmosferskemu ogljikovemu dioksidu ali nivoju žvepla in nitratov. Tehnologija obnovljivih virov, razen


vodnih, še vedno potrebuje obsežne raziskave in razvojne uspehe, preden bo pripravljena za izkoriščanje v širšem obsegu in bo postala ekonomsko konkurenčna za pokrivanje električne energije v pasu.

Na prihodnost jedrske energije lahko vpliva njena prilagodljivost. Jedrska energija je ekonomsko konkurenčna z električno energijo, proizvedeno v elektrarnah na fosilna goriva, in ima zaradi tega možnost, da se obdrži v naraščajočih potrebah po električni energiji in za zamenjevanje zastarelih in izrabljenih termoelektran na fosilna goriva. V manjših omrežjih lahko zagotavljajo električno energijo tudi majhne in srednje jedrske elektrarne, kar bo zaželeno v mnogih državah v razvoju ali pa v napajanjih območnega ogrevanja, razsoljevanja morske vode in proizvodnje toplote za industrijo.

3.1 Zgodovina atomske in jedrske fizike

ok. 400 p.n.š. Demokrit Snov sestavljajo majhni nevidni delci, atomi ok. 60 p.n.š. Lucretius Članek “O naravi stvari” 1789 Klaproth Odkritje urana 1808 Dalton Molekule so sestavljene iz atomov, kemične spojine 1811 Avogadro Plinski zakoni 1868 Mendeljejev Periodna preglednica elementov 1895 Röntgen Odkritje rentgenske svetlobe 1896 Becquerel Odkritje radioaktivnosti 1897 Thomson Odkritje elektrona 1898 M. in P. Curie Odkritje elementov polonij in radij 1903 Wilson Meglična celica 1905 Einstein Masi ustreza energija 1909 Rutherford Delci α so helijeva jedra 1911 Hess Odkritje sevanja iz vesolja 1913 Bohr Model atoma 1914 Moseley Karakteristične rentgenske spektralne črte 1919 Rutherford Odkritje jedrske reakcije 1924 De Broglie Gibajočemu se elektronu ustreza valovanje 1925 Heisenberg Matrična mehanika 1926 Schrödinger Valovna mehanika 1927 Heisenberg Načela nedoločenosti 1930 Pauli Vpeljava nevtrina 1932 Anderson Odkritje pozitrona 1934 Fermi Teorija šibkih interakcij radioaktivnega razpada β 1935 Yukava Mezonska teorija 1936 v. Weizsäcker Kapljični model jedra 1937 Anderson Odkritje težkega elektrona (μ miona) 1939 Hahn, Straßmann Odkritje cepitve jedra 1942 Fermi Prva kontrolirana verižna reakcija v reaktorju v Chicagu 1947 Powell,Occhialini Odkritje Yukawovega mezona (pion) 1955 CERN (Švica) Odkritje antiprotona


3.2 Jedrski gorivni krog

Velik del elektrike pridobimo danes v termoelektrarnah, kjer s segrevanjem uparimo vodo. Para poganja turbino, le-ta pa generator, ki proizvaja elektriko. Za segrevanje vode uporabljamo toploto, ki nastane z gorenjem premoga, nafte ali naravnega plina (fosilna goriva), in toploto, ki se sprošča pri cepitvi jeder uranovega izotopa U-235 ali plutonija.

Kljub velikim koristim, ki jih ima človeštvo v zadnjih 40 letih od miroljubne uporabe jedrske energije za pridobivanje električne energije ter v medicini, industriji, poljedelstvu itd., pa vlada med ljudmi še vedno precejšnji strah in nezaupanje do uporabe te energije. Posebej kritičen je odnos ljudi do pridobivanja elektrike iz jedrske energije v jedrskih elektrarnah.

Iz jedrskih elektarn pridobimo danes v svetu 17 % vse porabljene električne energije (okoli 1900 teravatnih ur). Pridobivanje električne energije v jedrskih elektrarnah je posebej hitro naraščalo od leta 1970 do 1980.

Jedrski gorivni krog je sistem jedrskih naprav, po katerih kroži jedrsko gorivo. Gorivni krog se zelo razlikuje med posameznimi državami, saj imajo v večini držav le jedrske reaktorje, za katere uvažajo jedrsko gorivo. Celotni jedrski gorivni krog, ki ga imajo le v nekaterih državah, sestavljajo: • rudnik urana • obrat za predelavo (konverzijo) uranove rude • tovarna za obogatitev urana • tovarna za izdelavo goriva • jedrska elektrarna • skladišče izrabljenega goriva • tovarna za predelavo izrabljenega goriva • odlagališče nizko in srednje radioaktivnih odpadkov • odlagališče visoko radioaktovnih odpadkov

Jedrski gorivni krog je lahko “zaključen” na različne načine, saj uran, pridobljen pri predelavi izrabljenega goriva, lahko ponovno obogatimo; plutonij lahko uporabljamo v hitrih reaktorjih in podobno.

JEDRSKAELEKTRARNA

OBDELAVA NIZKOIN SREDNJE

RADIOAKTIVNIHODPADKOV

odpadki

izrabljenogorivni element

uran in plutonij

UO2

UF6

odpadki

odpadki

ODLAGALIŠČENS RAO

MEDICINAINŠTITUTI

INDUSTRIJA

ZAČASNOSKLADIŠČE

ODLAGALIŠČEIZRABLJENEGA

GORIVA

PREDELAVA

OBDELAVAVISOKO

RAKTIVNIHODPADKOV

ODLAGALIŠČE

RUDNIKURANA

odpadki

IZDELAVAGORIVA

OBOGATITEVURANA

Slika 3.1: Jedrski gorivni krog


Atomi, jedra, izotopi

Organsko in neorgansko naravo sestavljajo molekule. Te lahko s pomočjo kemijskih metod razstavimo na atome, ki jih je okoli 100. Atomi so sestavljeni iz jedra in elektronov, jedro pa sestoji iz protonov in nevtronov. To so nukleoni. Protoni so pozitivno naelektreni delci, nevtroni pa nenabiti delci. Atom je električno nevtralen, zato ima enako število nevtronov in elektronov. Kemijske lastnosti elementa določa število elektronov v atomu. Tako se atom z enim protonom in enim elektronom imenuje vodik, na koncu seznama naravnih elementov je uran, ki ima 92 protonov. Je sivobela kovina z gostoto 18,950 kg/m3. V zemeljski skorji ga je nekaj miljonink (4 ppm). Leta 1789 ga je odkril Nemec Martin Heinrich Klaproth.

Atomi določenega elementa z istim številom protonov imajo lahko različno število nevtronov v jedru, zato imajo tudi različno atomsko maso. Takšne atome imenujemo izotopi. Ti se kemijsko enako obnašajo, zato jih s kemijskimi metodami ne moremo ločiti. Uran ima 11 izotopov, od katerih sta najvažnejša uran 238, ki ima 92 protonov in 146 nevtronov, in uran 235, ki ima 92 protonov in 143 nevtronov. Naravni uran sestoji iz 99,3 % atomov urana 238 in 0,7 % atomov urana 235.

Cepitev urana

Hahn in Strassman sta leta 1939 ugotovila, da se pri obstreljevanju urana z nevtroni zgodi nekaj nenavadnega: uranovo jedro se razcepi v dva radioaktivna dela. Ob tem se sprosti tudi energija in nekaj nevtronov. Elementi, ki se cepijo ob zajetju nevtronov, so uran 233, uran 235 in plutonij. Ob cepitvi enega jedra se “rodijo” dva ali trije nevtroni, ki sprožijo nove cepitve. Ena izmed možnih reakcij je:

01

92235

56137

3697

012 193n U Ba Kr n MeV+ → + + +

Naravni uran vsebuje predvsem dva izotopa: uran 238 (99,3 %) in uran 235 (0,7 %). V lahkovodnih jedrskih elektrarnah (le-te so danes v večini) uporabljajo jedrsko gorivo, ki vsebuje od 2 do 4 % urana-235, kar je precej več, kot je urana-235 v naravnem uranu. Pravimo, da je takšno gorivo obogateno. Za obogatitev urana uporabljajo več metod: plinsko centrifugiranje, plinsko difuzijo, ločilno šobo, lasersko ločevanje itd. Zelo dolgo je bila ena od glavnih metod za obogatitev urana plinska difuzija. To je metoda, kjer se za ločevanje izotopov izkorišča pojav, da plini z različno molekularno maso prehajajo (difundirajo) preko porozne pregrade (membrane) z različnimi hitrostmi.

3.3 Tehnološki krog

Termoelektrarne so naprave za pretvarjanje toplotne energije v električno. V parnem kotlu zgoreva gorivo, nastala toplota uparja vodo. Paro vodimo najprej v visokotlačni in nato v nizkotlačni del turbine. Parna turbina poganja električni generator. Iz turbine gre para v kondenzator, kjer se utekočini. Kondenzator hladimo s hladilno vodo, ki jo črpamo iz reke ali morja, za hlajenje lahko uporabljamo tudi hladilni stolp (slika 3.2). Kondenzirano paro črpa napajalna črpalka nazaj v kotel. Po zakonih termodinamike je možno pretvoriti v drugo vrsto energije le del toplote. Moderne termoelektrarne pretvorijo v električno energijo okoli 40 % toplote. Izkoristek je tem večji, čim višja je temperatura pare.


kotel

črpalka

fosilno gorivo

turbini

generator

kondenzator

Slika 3.2: Pridobivanje električne energije v termoelektrarni

Jedrska elektrarna deluje na podoben način kot termoelektrarna, le izvir toplote ni gorenje premoga ali plina, temveč gorenje jedrskega goriva (cepitev težkih atomov), kot je prikazano na sliki 3.3. To gorivo je spravljeno v sredici reaktorja, ki jo obdaja tlačna posoda. Skozi sredico kroži hladilo (voda), ki prenaša sproščeno toploto preko uparjalnika na parni sistem (tlačni reaktor). Sredica, tlačna posoda in naprave v tlačni posodi torej sestavljajo reaktor, ki je najbolj značilen del jedrske elektrarne (slika 3.4).

para

voda

cevreaktorska tlačna posoda

črpalkaregulacijske palicetlačnik

grelci

uparjalnik

sredica reaktorja

Slika 3.3: Pridobivanje pare v jedrski elektrarni


reaktorprimarnisistem

sekundarnisistem turbina

generator

parovod

hladilna vodaza kondenzator

kondenzatorčrpalkauparjalnik

sredica

a)

reaktor parovod turbina

generator

hladilna voda zakondenzator

črpalka

kondenzator

sredica

b)

Slika 3.4: Shema a) vrelnega reaktorja (neposredno hlajenje) b) tlačnega reaktorja (primarni in sekundarni hladilni krog)

Pri vodno hlajenih jedrskih reaktorjih je izkoristek elektrarne približno 34 %, ker je maksimalna temperatura hladila omejena s kritično temperaturo vode, ki je 379°C. Nad to temperaturo obstaja voda le kot para, ki pa je slab moderator in hladilo, kar onemogoča delovanje reaktorja. Praktična meja za temperaturo hladila je okoli 320 °C.

3.4 Jedrski reaktor

Jedrski reaktor je naprava, v kateri teče nadzorovana cepitev uranovih ali plutonijevih jeder. Ta reakcija se sama vzdržuje. Reaktor sestavljajo:

• sredica reaktorja • moderator • hladilo • regulacijske palice

Ti deli so v reaktorski (tlačni) posodi, skozi katero teče hladilo.


Sredica reaktorja

V sredici reaktorja je jedrsko gorivo, kjer poteka cepitev cepljivega materiala:

• nevtroni “pobegnejo” iz sredice reaktorja • ujamejo se v gorivu in pri tem ne pride do cepitve (resonančno zajetje) • ujamejo se v drugih materialih, ki sestavljajo sredico (hladilo, razcepni proizvodi,

nečistoče v gorivu) • ob zajetju v uranu 235 povzročijo cepitev. Verjetnost za to reakcijo je 84 %.

Moderator

Nevtroni, nastali pri cepitvi, imajo zelo različne hitrosti, v povprečju znaša njihova hitrost desetino svetlobne hitrosti (energija je okoli 2 MeV). To so hitri nevtroni, ki opravijo večino cepitev v hitrih reaktorjih.

Jedra 233U, 235U in 239Pu razcepijo nevtroni s poljubno energijo, vendar je verjetnost za cepitev tem večja, čim manjša je hitrost nevtrona. Zato je treba nevtrone čim bolj upočasniti (moderirati), za kar skrbi moderator. To je material, ki vsebuje lahke elemente: vodik (voda), devterij (težka voda), berilij ali ogljik (grafit). V ta jedra se hitri nevtroni zaletavajo kot biljardne kroglice in ob vsakem trku se nevtronu zmanjša hitrost. Tako nastanejo termični (“počasni”) nevtroni, ki opravijo večino cepitev v termičnih reaktorjih. Za te reaktorje je torej značilno to, da imajo moderator, ki je razporejen med gorivom, da lahko uspešno opravi moderacijo.

Dogodke pri cepitvi lahko predstavimo z naslednjo shemo, ki ponazarja življenje ene generacije nevtronov:

20 termičnih nevtronov se absorbira v moderatorju in drugih materialih

100 termičnih nevtronov, ki povzročijo cepitev goriva

230 hitrih nevtronov, ki se pojavijo pri cepitvi

20 hitrih nevtronov pobegne

40 hitrih nevtronov se absorbira v uranu 238

170 termičnih nevtronov

20 termičnih nevtronov pobegne

30 termičnih nevtronov se absorbira v gorivu

100 termičnih nevtronov, ki povzročijo cepitev goriva

Pobeg nevtronov zmanjšamo, če sredico obdamo z reflektorjem. Reflektor je iz materiala (grafit, berilij, voda), ki odbija nevtrone nazaj v sredico.


Hladilo

Ob cepitvi goriva se sprosti toplota, ki jo je treba odvesti s hladilom. Moč posameznega reaktorja je odvisna tudi od učinkovitosti prenosa toplote. Za hladilo lahko uporabljamo:

• lahko vodo • težko vodo • tekočo kovino (natrij) • plin (CO2, He)

Regulacijske palice

Reaktor je vedno narejen tako, da nastane v sredici več nevtronov, kot se jih izgubi. V tem primeru uravnavajo pravilno število nevtronov regulacijske palice, ki močno absorbirajo nevtrone (kadmij, indij, srebro). Z dvigovanjem ali spuščanjem regulacijskih palic se uravnava moč reaktorja, ki je sorazmerna številu nastalih nevtronov pri cepitvi goriva.

Gorivni sveženj

Za zgorevanje v reaktorju kovinski uran ni primeren, ker se pri pogojih v reaktorju strukturno in dimenzijsko spreminja, poleg tega pa ima tudi nizko tališče (1133 °C). Zato uporabljamo različne uranove spojine (kot npr. uranov dioksid UO2), ki so stabilne do okoli 2800 °C.

Za jedrsko gorivo uporabljamo keramični material, ki ga dobimo s stiskanjem uranovega prahu (npr. UO2). Iz keramike izdelujemo tablete s premerom okoli 0,8 cm in dolžine do 1,5 cm, ki jih vstavljamo v 3,5 do 5 m dolge kovinske palice (“srajčke” iz cirkaloja ali nerjavečega jekla). Do 250 gorivnih palic sestavlja gorivni sveženj (element). Nekateri gorivni svežnji imajo tudi snop regulacijskih palic (slika 3.5)

tableta goriva

gorivna palica gorivni sveženj

Slika 3.5: Shema gorivne palice in svežnja


3.5 Vrste jedrskih reaktorjev

Jedrske reaktorje razvrščamo oziroma bolje poimenujemo po kombinaciji materialov, ki pripomorejo k vzdrževanju verižne reakcije. Glede na vrsto hladila razlikujemo tako vodne in plinske reaktorje ter reaktorje s tekočo kovino. Od 436 jedrskih elektrarn, ki so obratovale ob koncu leta 1989, je kar 329 ali 75 % takšnih, ki uporabljajo v reaktorju za hladilo in moderator lahko vodo (lahkovodni reaktor). Ti reaktorji imajo dve različni obliki, ki se ločita med seboj po tem, kje pridobivajo paro.

Tlačni reaktor (PWR: Pressurized Water Reactor)

Pri tem reaktorju je hladilna voda (primarni hladilni krog) v reaktorski posodi (prostor, kjer so gorivo, regulacijske palice in hladilo) pod tlakom, ki je večji od nasičenega parnega tlaka pri največj obratovalni temperaturi, zato se reaktorsko hladilo ne more uparjati. Pri temperaturi vode 320 °C v primarnem krogu je potrebni tlak 157 barov (15,4 MPa), da voda ne izpari. Para nastopi šele v uparjalniku (sekundarni hladilni krog). Zaradi segrevanja se sekundarno hladilo uparja. Ta para poganja turbino, po končanem delu pa se kondenzira v kondenzatorju turbine in se nato vrača v uparjalnik. Pri tlačnem reaktorju sta primarni in sekundarni hladilni krog ločena, kar je gotovo prednost, če pride do radioaktivnega onesnaženja hladilne vode. Tlačni reaktor je danes najbolj razširjen tip jedrskih reaktorjev za pridobivanje električne energije.

zadrževalni hram

črpalka

kondenzatorsredica

reaktorskaposoda

uparjalnik

generator

turbini

Slika 3.6: Shema tlačnega reaktorja


Vrelni reaktor (BWR: Boiling Water Reactor)

Pri vrelnih reaktorjih hladilna voda zavre že ob prehodu skozi sredico, nastala nasičena para pa poganja turbino, kjer se po opravljenem delu kondenzira in vrne nazaj v reaktorsko posodo. Takšen reaktor je bolj enostaven v primerjavi s tlačnim, razen tega je v reaktorski posodi za polovico manjši tlak.

Slaba lastnost v primerjavi s tlačnim reaktorjem je radioaktivna para. Zaradi nižje gostote moči je reaktorska posoda mnogo večja, dodatno jo povečujejo še sušilniki pare nad sredico. Tlak vode v tipičnem vrelnem reaktorju je 69,0 barov. Pri takšnem tlaku vre voda pri 285 °C.

zadrževalni hram

črpalka

kondenzatorsredica

reaktorskaposoda

generator

turbini

Slika 3.7: Shema vrelnega reaktorja

Hitri in oplodni reaktor

Hitri reaktorji so naprave, v katerih poteka verižna cepitev jeder izotopa urana 235 ali plutonija 239 s hitrimi nevtroni, ki imajo energijo večjo od termične. Prednost teh reaktorjev je v tem, da je verjetnost za nezaželeno absorbcijo nevtronov veliko manjša. Zato pridejo v poštev za gradnjo reaktorja mnogi konstrukcijski materiali (jeklo in druge zlitine železa), ki so manj uporabni v termičnih reaktorjih. Pri hitrih reaktorjih pa je treba uporabljati hladilno snov, ki ne upočasnjuje nevtronov in ima velik koeficient prenosa toplote, saj se doseže zaradi majhnih izgub nevtronov in odsotnosti moderatorja velika gostota moči (majhna sredica). Zato uporabljajo za hladilo tekoče kovine (natrij).

Velika prednost hitrih reaktorjev je v tem, da jih lahko uporabljajo kot oplodne reaktorje (breeder). V tem primeru je gorivo sestavljeno iz oksidov plutonija in urana, ki ga obdaja plašč iz naravnega urana. V izotopu urana 238 se absorbira nevtron in pri tem nastane


radioaktivni izotop 239U, ki razpade najprej z razpadom β- v izotop neptunija 239Np, ta pa v izotop plutonija 239Pu. Slednji je poleg izotopa 235U jedrsko gorivo. Na ta način se v hitrem oplodnem reaktorju pridobi več goriva, kot se ga porabi.

Seveda je obratovanje hitrega reaktorja zahtevnejše kot obratovanje termičnega reaktorja, ker se uporablja kot hladilo tekoč natrij, ki močno reagira z vodo in zrakom, zato so potrebni posebni varnostni ukrepi.

Napredni tlačni (APWR) in napredni vrelni lahkovodni reaktor (ABWR)

Japonska in Združene države Amerike sta že razvili naprednejši tlačni reaktor, ki je bolj ekonomičen in tudi varnejši od dosedanjih tlačnih reaktorjev. Konstruktorjem je uspelo za 20 % zmanjšati stroške za gorivo, gorivni cikel so podaljšali na 18 mesecev, elektrarna je razpoložljiva 90 % možnega časa. Najpomembnejše pa je, da je gostota moči v sredici za 15 do 20 % manjša, zato elektrarna obratuje varneje. Ta nova jedrska elektrarna je že pripravljena za prodajo.

Tudi vrelne lahkovodne reaktorje so v zadnjih letih v precejšnji meri izpopolnili, tako da so v letu 1990 Japonci skupaj z ZDA že pričeli izdelovati napredni vrelni lahkovodni reaktor. Nove vrste reaktorjev imajo naslednje prednosti v primerjavi s starejšimi izvedbami:

• reaktor je cenejši; • jedrsko elektrarno z novim reaktorjem je možno zgraditi že v 48 mesecih; • pri novem reaktorju je 10-krat manjša verjetnost, da pride do poškodbe sredice; • v primeru, da pride do izgube hladilne vode, je sredica vedno prekrita s hladilom; • nizko in srednje radioaktivnih odpadkov je le za 100 sodov na leto.

Visoko temperaturni reaktor (HTR), hlajen s plinom

Ta vrsta reaktorjev je še v razvoju, čeprav nekaj poskusnih reaktorjev že precej časa uspešno deluje v ZDA in Nemčiji. Pri HTR uporabljajo kot hladilo plin helij pod tlakom od 40 do 60 barov, za moderacijo pa uprabljajo grafit. Gorivo je mešanica torija in urana (za “vžig”). To gorivo ni shranjeno v palicah, pač pa v keramičnih kroglicah s premerom okoli 0,5 mm, ki vsebujejo v sredini uran in torij, na obodu pa je grafit (moderator). Te kroglice združijo v večjo kroglo s premerom 6 cm, ki predstavlja gorivni element. Reaktor z močjo 750 MW ima v sredici reaktorja 760.000 gorivnih elementov, ki jih lahko zamenjujejo kar med obratovanjem reaktorja.

Pri prehodu skozi sredico se helij segreje na 750 °C do 850 °C, kar omogoča, da obratuje turbina z visokim izkoristkom.

3.6 Zlitje

Fuzija oziroma zlitje jeder je izvir energije Sonca in drugih zvezd. V notranjosti zvezd se zlivajo prosti protoni v jedra helija. Ker se pozitivno nabiti protoni odbijajo, če se zelo približajo, lahko zlivanje poteka le, kadar imajo soudeleženi delci tako visoko kinetično energijo, da lahko premagajo odbojne sile. To se dogaja v notranjosti zvezd, kjer doseže temperatura, ki je merilo kinetične energije delcev, več kot 10 milijonov kelvinov. Na slikah si oglejmo reakcijo zlitja D + T → n + 4He :


T D

Slika prikazuje zmes težkih vodikovih izotopov devterija in tritija pri nizki temperaturi. Črne krogle so protoni, bele pa so nevtroni. Okoli jeder stalno kroži negativni elektron.

Pri visoki temperaturi (100.000 K) imajo elektroni dovolj močno energijo, da premagajo privlačno silo jedra. Atomi plina se ionizirajo; tako nastane plazma, sestavljena iz prostih ionov in elektronov.

He

n

Pri temparaturi plazme okoli 50 milijonov K imajo jedra devterija in tritija tako visoko kinetično energijo, da oblikujejo pri trčenju jedro helija (2 protona + 2 nevtrona) in prost nevtron. Pri tem se sprosti energija zlitja.

Za tehniko so zanimive nasljednje reakcije zlivanja:

D + T → n + 4He D = devterij

D + D → n + 3He T = tritij

D + D → p + T p = proton

D + He3 → p + 4He n = nevtron

Te reakcije so znastveniki teoretično in eksperimentnlno že neštetokrat raziskovali. V pospeševalnikih lahko pospešimo atomska jedra, navedena v zgornjih enačbah levo, do velikih hitrosti. Pri trčenju s snovmi, ki so v enačbi navedene desno, nastanejo opisane reakcije. S tem postopkom pa ne dobimo zadostnih količin energije. Če hočemo dobiti uporabno energijo, moramo segreti zmes devterija in tritija na približno 50 milijonov kelvinov in jo imeti dovolj dolgo zaprto, da lahko delci reagirajo po zgornjem obrazcu.


Zaradi pomembnega napredka na področju jedrske fuzije so se v svetu konec šestdesetih let zopet z velikim zanosom lotili projekta za proizvodjo električne energije s pomočjo kontrolirane fuzije. Gre za izkoriščanje energije, ki se sprošča, ko se lahka atomska jedra zlivajo v težja. Medtem ko je izkoriščanje energije, ki nastane pri fiziji, že dolgo uporabno, pa je tehnologija na področju fuzije še daleč od komercialne uporabnosti. Kljub temu pa je bil v Združenih državah Amerike cilj praktični prikaz jedrske fuzije do konca stoletja. V tem poglavju bo opisan fuzijski energetski sistem s stališča njegovega tehnološkega razvoja. Poudarek je na konstrukciji fuzijske elektrarne oziroma na njeni zgradbi, materialih, varnosti in obvarovanju okolja ter ekonomičnosti. Še vedno obstajajo dvomi o možnostih realizacije fuzijske elektrarne, predvsem zaradi problemov na področju plazme. Ti problemi naj bi bili v prihodnosti odpravljeni in tako bo možno demonstrirati jedrsko fuzijo do konca stoletja.

Pogoji za pretvorbo energije

V nasprotju z jedrskim fizijskim reaktorjem, potrebuje fuzijski reaktor vhodno energijo, potrebno za ustvaritev ustreznih pogojev, ki omogočajo veliko sproščanje energije. Vloga te vhodne energije je, da segreje jedrsko gorivo do ekstremnih temperatur (10-100 milijonov stopinj kelvina). Na tak način dobijo atomska jedra dovolj energije, da premagajo medsebojni elektrostatični odboj in se lahko zlijejo med seboj. Pri teh temperaturah je gorivo v obliki plazme. Plazma je ioniziran plin, v katerem so atomi ločeni od svojih zunanjih elektronov. Ioniziran plin oziroma plazma se razlikuje od navadnih plinov po tem, da lahko prevaja električni tok. Tako kot vsak vroč plin ima tudi plazma težnjo, da se razširi. Če hočemo iz jedrske fuzije dobiti koristno delo, moramo plazmo za dovolj dolg čas omejiti oziroma zapreti. To osnovno zahtevo fuzije je prvi ovrednotil angleški znanstvenik J. H. Lawson, ki je pokazal, da je produkt gostote plazme in časa, potrebnega, da se sprosti fuzijska energija, odvisen od fuzijskega goriva in prvenstveno od temperature plazme. Glede na zahteve, ki jih mora izpolnjevati plazma, da je možna proizvodnja energije, se pokaže, da bo gorivo za jedrsko fuzijo temeljilo na mešanici devterija in tritija.

Omejitev plazme, način dela in gorivo

Plazmo lahko omejimo z magnetnim poljem, ki ustvari magnetni tlak, ki izniči kinetično energijo plazme. Magnetno omejeni reaktorji bodo lahko zadrževali plazmo gostote med 1014-1015 kg/m3 za časovno obdobje okoli ene sekunde. Plazmo lahko omejimo tudi na osnovi vztrajnosti. Pri tem moramo tablete goriva segreti na temperaturo, potrebno za fuzijo, zelo hitro, da zgori dovolj velik del goriva še preden termično razkrajanje tablet omeji reakcijo. S takim reaktorjem se da zadržati plazmo gostote 1025-1026 kg/m3 za okoli 10-9 s. Princip magnetnega omejevanja plazme lahko temelji na odprtem ali zaprtem geometrijskem tipu (odprta ali zaprta magnetna čaša). Pri odprtem tipu (slika 3.8) magnetne silnice zapuščajo omejeno področje in plazma je ujeta med obe tuljavi. Pri zaprtem tipu (slika 3.9) oblikujejo silnice toroid in plazma lahko kroži znotraj tuljave.

Načrti za fuzijski reaktor predvidevajo dve vrsti reaktorjev. Prvi je tako imenovani ustaljeni oziroma steady-state reaktor, drugi pa impulzni reaktor. V ustaljenem reaktorju dodajamo gorivo nenehno v plazmo in porabljeno gorivo ter produkte reakcije sproti odstranjujemo. V impulznem reaktorju, kjer je npr. inercijski način zadrževanja plazme, pa bo začetni vložek goriva gorel skladno s časovno omejitvijo (okoli 10-9 s). Ostanki reakcije bodo odstranjeni po zažignem pulzu, nato pa sledi ponovno vstavljanje goriva v reakcijsko


komoro in zažig. Princip TOKAMAK (Toroidal Chamber Magnetic) je vmesni primer, ki deluje po navidezno ustaljenem načinu. TOKAMAK je naprava za prostorsko omejevanje plazme v obliki toroida. Plazme ne omejujejo stene iz materiala, temveč je omejena s pomočjo magnetnega polja. Vzroka za uporabo takšne magnetne ovojnice sta dva:

• noben znan material ne vzdrži temperature sto milijonov stopinj, ki je potrebna za vzdrževanje fuzije;

• zadrževanje plazme v magnetni zapori zagotavlja dobro izolacijo in s tem lažje segrevanje.

plazma

magnetno poljemagnetna tuljava

magnetna tuljava

plazma

Slika 3.8: Odprti tip Slika 3.9: Zaprti tip

To pomeni, da je čas gorenja omejen, porabljeno gorivo pa je odstranjeno že med samo reakcijo. Ta način zahteva prekinjanje gorenja plazme in torej deluje ciklično. Nekateri teoretični dokazi napeljujejo, da deluje TOKAMAK kot ustaljeni reaktor. Eno od vprašanj fuzije z vidika ekonomičnosti je pridobivanje goriva. Medtem ko so zaloge devterija, ki je prisoten v vodi, praktično neomejene, je tritij treba pridobivati. Pridelati ga je mogoče kar v fuzijskem reaktorju, z reakcijo nevtronov in atomov litija. Litij dodajamo v zunanjo plast plazme. Svetovne rezerve litija so po ocenah zelo velike, saj se ga da pridobivati iz morske vode. Pravijo, da ga je za okoli 10 milijonov ton ali drugače povedano za okoli 5 milijard MWh na leto, kar bi zadoščalo za oskrbo 10 milijonov ljudi za 500 let.

Koncept elektrarne

Med različnimi študijami za pridobivanje električne energije iz fuzije obljublja največ prav TOKAMAK. Ta reaktor razvijajo v Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Visoki stroški narekujejo koncept večjega števila manjših reaktorjev, nameščenih v istem prostoru in povezanih s skupnimi elementi. V modelu vsebuje elektrarna dva do pet enot, od katerih bi vsaka proizvajala 500-1000 MW. Točna vrednost je določena glede na plazmo in cenovni optimum.

Pri elektrarni TOKAMAK težimo k večjemu številu enot z zmerno zmogljivostjo. Med


ključne elemente posamezne enote spadata dva niza impulznih dovodov energije. Eden upravlja tok plazme, drugi pa dovaja energijo do brizgalnika žarkov nevtronskih delcev (Neutron Beam Injector). NBI je tehnika, s katero dodatno segrevamo plazmo, saj samo notranje segrevanje ni dovolj, da se dvigne temperatura do vžignega nivoja. Kot je že bilo povedano na začetku, je TOKAMAK zasnovan na toroidni komori z notranjim radijem 1,5 metra in zunanjim radijem 6 metrov. Za doseganje visoke magnetne gostote, s katero bi zadržali plazmo, potrebujemo supraprevodno tuljavo, nameščeno na toroidu. Ta tuljava v obliki črke D mora imeti dimenzije 7 in 10 metrov ter magnetno gostoto okoli 8 tesla. Takšna kombinacija velikosti in gostote presega vse, kar je bilo doslej zgrajenega, vendar se na ORNL približujejo razvoju take tuljave. Plazma je obdana z 0,8 metrov debelo plastjo iz čistega jekla, ki je konstruirana tako, da se kinetična energija nevtronov pretvori v koristno segrevanje, dodatna vloga pa je proizvodnja tritija iz litija. Medij za prenos toplote znotraj jeklene plasti je kombinacija soli in dušika. Ta izbira temelji na več desetletnih izkušnjah s tem materialom kot medijem za prenos toplote, v petrolejski in kemični industriji, in razmeroma nizko ceno (okoli 1$/kg). Jeklena plast je obdana še z 0,7 metrov debelim ščitom, ki omeji segrevanje in radiacijo, ki bi lahko uničila superprevodno tuljavo. Po načrtih ORNL sistem za pretvorbo energije v posameznem TOKAMAK reaktorju deluje s celotnim izkoristkom 35 %. V to je vštet tako izkoristek reaktorja, kot tudi vseh ostalih delov, vključno s parnim sistemom in turbino. Glavni cilj vmesnega kroga za transport toplote je zaščita pred visokim tlakom pare, če pride do razpok v parnem sistemu. Rezervoarji soli, dodani v vmesni krog, dobavljajo potrebno termično energijo za zagotavljanje nepretrganega dotoka energije na turbino skozi celoten delovni cikel. Po načrtih ORNL je TOKAMAK vgrajen v vakuumsko zgradbo. To naj bi vneslo v konstrukcijo komore za plazmo pomembne olajšave. Vakuum, v katerem je reaktor, dopušča, da je stena plazmine komore sestavljena z mehanskimi spoji, ki so rahlo prepustni. Na področju stavbe, kjer je TOKAMAK, bodo konstrukcijski deli zelo radioaktivni. Konstrukcijske materiale za fuzijski reaktor testirajo s pomočjo fizijske radiacije in z ionskim bombardiranjem. Pri ORNL je konstrukcijski material čisto jeklo. Tudi določene zlitine so primerne, vendar so uvodni izidi z jeklom zelo ugodni.

Oprema in varnost

V normalnih pogojih delovanja je največji biološki problem fuzije uhajanje tritija v okolje. Pri visokih temperaturah tritij prebija kovine. To dejstvo je poleg denarja imelo eno od glavnih besed pri razvoju fuzijskega reaktorja. Treba je konstruirati materiale, ki bodo omejili uhajanje tritija v atmosfero. S tem projektom se ukvarjajo v Los Alamosu. Prednost fuzije pred fizijo, s stališča varovanja okolja je v tem, da bodo lahko porabljeno gorivo ponovno predelali. Obrat za predelavo goriva je kar del elektrarne. S tem se bodo zelo zmanjšale nevarnosti, ki bi se pojavljale pri transportu goriva. Potencialni biološki vpliv fuzijske elektrarne na okolje je 10-krat manjši kot pri fizijski. Poleg tega pri fizijski elektrarni obstaja tudi nevarnost radioaktivnosti, ki se pojavi po zaprtju elektrarne, saj se le-ta zelo dolgo ohlaja. Pri fuzijski elektrarni je čas ohlajanja precej krajši. Osnovni izvor radioaktivnih odpadkov pri fuziji bodo radioaktivni konstrukcijski materiali, ki jim je potekla življenjska doba. Vendar bi se ti materiali dali reciklirati že po 50 letih. Pri fizijski elektrarni rabijo proizvodi kot so stroncij 90 in cezij 137 več stoletij, da postanejo neškodljivi.


Pot do komercialne uporabnosti

Avtorji projekta so še v osemdesetih letih predvidevali, da bi bila možna komercialna uporaba fuzije do konca stoletja. Sedanja pričakovanja (1996) so uprta v čas po letu 2020. Pri tem računajo na nove tehnologije, ki se bodo pojavile v prihodnosti. Strokovnjaki predlagajo, da bi do komercialne uporabnosti TOKAMAK-a prišli v treh fazah. V prvi fazi bi demonstrirali zažig, nato bi konstruirali elektrarno, v zadnji fazi bi izdelali komercialni prototip. Cena celotnega fuzijskega programa naj bi znašala nekje med 10 in 15 milijardami dolarjev, kar je za zagotovitev novega izvora energije kar sprejemljiva cena.

Fuzijska sedanjost

Novembra 1991 so v Culhamu v Veliki Britaniji prvič v zgodovini nadzorovane fuzije uspeli v reaktorju vzdrževati sončni ogenj dve sekundi. V velikanskem reaktorju, ki ima obliko torusa, so segreli devterij na 100 milionov stopinj. V plazmo, ki jo obdaja močno magnetno polje, so nato vbrizgali tritij. Dvakrat po dve sekundi je v mešanici plazme (86 % devterija + 16 % tritija) prišlo do izbruha fuzijske energije. Sproščena moč pri 200 milijonih stopinj je znašala 1,7 MW, kar pomeni najdražjo kilowatno uro, ki je bila kdajkoli pridelana. Naprava stane namreč 200 milijonov mark letno.

Danes fuzijski raziskovalci precej bolj zadržano gledajo na to, do kdaj bi lahko zgradili prototip reaktorja, kot pred desetimi leti. Če bi naprava ITER (skupni projekt ZDA, Rusije, Japonske in EGS) res začela delati 1996. leta, kot predvidevajo, bi lahko začeli z gradnjo prototipa šele 2025. leta oziroma še kasneje (okoli 2040-2050). To pa je mnogo prepozno, da bi fuzija pomagala reševati energetske težave v naslednjih desetletjih. Vendar tudi ta časovna računica velja le pri predpostavki, da je tehnika sledila sanjam raziskovalcev. Rešiti morajo namreč nasljednje probleme:

• ni snovi, ki bi se upirala žarčenju trajno gorečega reaktorja; • ni nujno, da bo zmes devtrerija in tritija v razmerju 1 : 1 sploh gorela; • sproti je treba odstranjevati pepel, ki ga tvori helij, če ne, se reakcija zaduši.


LITERATURA





[5] http://FusEdWeb.pppl.gov, http://mtws01.rmki.kfki.hu, http://elvis.neep.wisc.edu

[6] V. Dimic, Elektrika iz jedrskih elektrarn, stalna razstava v prostorih izobraževalnega centra za jedrsko tehnologijo, Institut Jožef Stefan

[7] D. Feretić, Nuklearna energetska postrojenja, Tehnička enciklopedija IX, Zagreb 1984

[8] D. Popović, Nuklearni reaktori, Tehnička enciklopedija IX, Zagreb 1984


4. SONČNE ELEKTRARNE

V najširšem pomenu vsebuje sončna energija vse energije, ki izhajajo iz Sonca, vključno z vetrom, biomaso, vodno energijo in energijo iz oceanov.

Sonce je tipična zvezda, kakršnih je v naši galaksiji več miliard. Moč sončnega sevanja je ocenjena na 3,6⋅1026 W. Več kot polovica sončne mase je vodik, katerega jedra se neprestano spajajo s protoni v helij, pri tem pa se sproščajo ogromne količine energije. Vsako sekundo se 570⋅109 kg vodika transformira v 566⋅109 kg helija, manjkajoča masa pa se pretvori v energijo, ki gre v vesolje v obliki toplotnega sevanja in svetlobe. Zemlja je od Sonca oddaljena 150⋅109 m in prestreže le neznaten delček njegove energije.

Gostota svetlobnega toka Sonca znaša ob vstopu v Zemljino atmosfero povprečno 1367 W/m2, na površini zemlje pa znaša opoldne, ob jasnem vremenu in ob vpadu svetlobe pod pravim kotom, okoli 1000 W/m2. Ob ostalih urah je vrednost manjša zaradi podaljšane poti po atmosferi ob malih višinah Sonca in zaradi kosinusa vpadnega kota, če sončni žarki ne vpadajo pravokotno. Vzrok za nadaljnje zmanjšanje sprejete sončne energije so oblaki. Največji težavi pri izkoriščanju sončne energije sta potemtakem majhna gostota energije in nestalnost.

Celotna letna energija, sprejeta s sevanjem (na površini zemlje), dosega v povprečju 3000- kratno vrednost današnje svetovne rabe energije. Vendar je pomembna vrednost za vsako območje “sončno razmerje” (vstopna sončna energija / poraba energije v območju), ki niha od manj kot 100 v nekaterih energetsko intenzivnih državah do več kot 10.000 za nekatere države v razvoju. Zaradi neučinkovitih naprav za pretvarjanje energije izgleda, da bo, kljub ogromnim možnostim za pokrivanje velikega dela potreb po energiji v državah v razvoju, le del potreb po energiji energetsko intenzivnih držav možno lokalno pokriti s sončno energijo. To je vodilo k mnogim razmišljanjem, na kak način zbirati sončno energijo v sončnih, redko naseljenih območjih in jo nato transportirati v neki zgoščeni obliki do območij, kjer jo potrebujemo.

Sončno sevanje, ki doseže površino zemlje, je sestavljeno iz dveh komponent: neposrednega (žarkastega) sevanja in difuznega (razpršenega) sevanja. Prvo je možno zbirati z lečami ali ogledali, ki lahko neprestano “sledijo” Soncu, ali pa so na nekaterih zemeljskih točkah, statične oziroma zahtevajo le občasne spremembe naklona. Difuzne komponente ni možno koncentrirati. Le-ta predstavlja v jasnih dneh 15 % celotnega sevanja, medtem ko v oblačnih obdobjih občutno naraste.

Sončno energijo je možno izkoriščati na dva načina: s toplotnimi sistemi ali pa z izkoriščanjem fotonskega učinka. V tem poglavju so opisani toplotni sistemi glede na njihovo pasivno oz. aktivno naravo in njihovo delovno temperaturo.

Fotonski učinek se izkorišča za fotosintezo (splošno jo imenujejo biopretvorba) in za proizvodnjo biomase, za foto-kemično sintezo in za fotoelektrični učinek (photovoltaic), pri katerem se sončno sevanje pretvarja neposredno v enosmerno električno energijo s pomočjo polprevodniških “sončnih celic”. Naprave za fotoelektrični učinek so stare samo okoli 25 let, vendar je prišlo do bistvenega napredka: uporaba le teh je opisana v nadaljevanju.

44 Sončne elektrarne

4.1 Pasivni sončni toplotni sistemi

Sevanje je bistveno pri projektiranju zgradb zaradi čim boljšega izkoriščenja sončne energije (npr. usmerjenost, zasteklitev, senčenje, toplotna izolacija in shranjevalniki toplote v zgradbi sami), vendar brez dodatnih sončnih kolektorjev ali pa klimatskih naprav, ki bi jih poganjalo Sonce. Arhitekti si ta znanja pridobivajo počasi (oz. jih obnavljajo, saj so nekdanji graditelj zelo dobro poznali te principe), pri tem pa jim pomaga računalniška simulacija. Če ne pozabimo, da se okoli ene tretjine vse primarne energije v industrializiranih državah porabi za ogrevanje in hlajenje zgradb, potem so možnosti zelo velike in pomembne z ekološkega stališča. Velik napredek je bil dosežen v zastekljevanju, kot npr. stekla z zmanjšanim prestopom sevalne toplote, posebna stanjšana stekla, elektro- -kromova in termo-kromova stekla (prestopne karakteristike je možno spreminjati z električnimi ali toplotnimi signali) ter prozorni izolacijski materiali. Le-te je možno uporabiti kot okna, s prestopnimi vrednostmi enakimi ali manjšimi, kot jih ima stena, ki jo nadomeščajo, ob tem pa prepuščajo sončno svetlobo in s tem čez dan zmanjšujejo potrebo po umetni razsvetljavi, kar je še posebej pomembno v pisarniških zgradbah. Prozorni izolacijski materiali se tudi uporabljajo za oblaganje sten, saj je s tem omogočen dostop Soncu, hkrati pa je stena tudi izolirana.

4.2 Nizko temperaturni aktivni sončni toplotni sistemi

Za ogrevanje hiš se včasih uporabljajo aktivni sončni sistemi, ki uporabljajo preproste kolektorje tipa “ravne plošče”, ali sami ali pa v kombinaciji s pasivnimi sistemi. Za hlajenje obratujejo poskusne naprave, ki uporabljajo hladilce absorbcijskega tipa, vendar pa tehnologija še ni dozorela. Kolektorji z absorberji v prazni stekleni cevi imajo nižjo toplotno prevodnost kakor kolektorji z ravnimi ploščami in so bolj učinkoviti v področjih z manj sonca, vendar je zaradi omejenih premerov cevi treba medsebojno povezati večje število cevi za dosego zadostne uporabne površine.

Ena od starejših uporab aktivnih sončnih sistemov je sončno ogrevanje vode za domače potrebe in lahko v nekaterih državah veliko prispeva k energetski ekonomiki. V industrializiranih državah je običajno rezervno napajanje z električno energijo. Kolektorji so običajno ravne plošče s stalnim naklonom, nameščeni na strehi zgradbe. Možno je izvesti komercialne in industrijske napeljave (še posebej, če obstajajo klasični grelniki vode za zagotavljanje rezerve), vendar se za sedaj običajno še ne izvajajo.

Kljub omejitvam Carnotovega procesa so za velike sončne napeljave predlagali večje število nizko temperaturnih sistemov. Med te spadajo tudi sončni zbiralniki s soljo, sončni zbiralniki v obliki satovja, sončni dimniki in pretvorniki toplotne energije oceanov.

Sončne zbiralnike s soljo so začeli prvi uporabljati v Izraelu po letu 1958. Zbiralnik je uporabljen kot kolektor z veliko površino, v katerem sončna energija, absorbirana na dnu, ostane tam, kajti gostota soli preprečuje naravno konvekcijo. Raztopina se pretaka od dna pri temperaturah do 90 °C, toplota se sprošča v raztezni komori in sol se reciklira. Velika količina vode in zemlja pod zbiralnikom zagotavljata vgrajeno skladišče, ki omogoča letni faktor izkoristka 90 %. Energija se proizvaja z uporabo turbo generatorja, ki izkorišča Rankinov proces. Zbiralnik je lahko zelo velik, največji do sedaj je demonstracijska enota velikosti 250.000 m2 z močjo 5 MW.


Ocene iz leta 1985, za 5 MW elektrarno z zbiralniki na 1⋅106 m2 (ki deluje z letnim faktorjem storilnosti med 73 in 90 % v primerjavi z 23 do 34 % za sisteme z zrcali), nakazujejo investicijski strošek 4500 ameriških dolarjev za inštaliran kW moči in stroške za energijo okoli 0,10 ameriških dolarjev po proizvedeni kWh. Za večje elektrarne se stroški za energijo občutno zmanjšajo, saj so obratovalni in organizacijski stroški skoraj neodvisni od velikosti. Za razliko od sistemov z zrcali ni nujno potrebno jasno nebo. Obstajajo omejitve glede mesta postavitve, kot na primer razmeroma ravne površine in kraji, kjer ni možno onesnažiti podtalnice, če pride do iztekanja slane raztopine. V nekaterih državah je bilo postavljenih več malih elektrarn, od katerih je največja v El Pasu v Texasu (3350 m2 zbiralnikov priključenih na 100 kW turbo generator z Rankinovim procesom).

Študija neodvisne inženirske družbe je pokazala, da bi s pomočjo toplote iz slanih zbiralnikov lahko poganjali večnamensko napravo za razsoljevanje, ki bi lahko proizvajala cenejšo razsoljeno vodo kot pa katerikoli drugi sončni sistem za razsoljevanje. Z naraščanjem potreb po pitni vodi lahko to predstavlja eno boljših uporab sončne energije.

Alternativa slanim zbiralnikom so sončni zbiralniki v obliki satovja. Le-ti ne vsebujejo soli, njihove toplotne izgube pa so zmanjšane na minimum z obtočno prosojno izolacijo (običajno kot ovojnica v obliki satovja) na površini. Ta sistem raziskujejo v mnogih državah, vendar tehnologija še vedno ni povsem razvita.

Popolnoma drugačen princip obsega uporabo sončnih dimnikov, pri katerih obstajata dva osnovna principa. Pri prvem principu je veliko okroglo območje prekrito z okni ali stekleno streho, ki zvišuje (za okoli 20 °C) temperaturo zraka, ki vstopa na obodu in izstopa skozi dimnik v središču. Rezultirajoči vlek poganja zračno turbino. Poskusna elektrarna je bila postavljena v Manzaresu, Španija, inštalirane moči 50 kW, s 195 m visokim dimnikom in skupnim izkoristkom 0,053 % in letnim faktorjem storilnosti 13 %. Napovedi za 200 MW elektrarno s 1000 m visokim dimnikom dajejo bolj spodbudne vrednosti, vendar so izkušnje iz Manzaresa preprečile nadaljnje delo na tem sistemu.

Pri drugem principu sončnega dimnika se voda škropi na vrhu zelo visokega dimnika in izparevanje, do katerega pride, povzroči vlek, ki poganja zračne turbine na dnu dimnika, kjer vstopa zrak. Napovedane zmogljivosti so boljše kot za prvi način, vendar samo za zelo velike sisteme. Prednostna mesta postavitve so v puščavskih območjih. Za sedaj še niso zgradili poskusne elektrarne, saj sistema ni mogoče oceniti s pomočjo male elektrarne, stroški za veliko elektrarno pa so zelo visoki. Obstajajo torej problemi v zvezi z izgradnjo.

4.3 Srednje temperaturni aktivni sončni toplotni sistemi

Srednje-temperaturni sistemi, ki obratujejo pri temperaturah do 350 °C, običajno temeljijo na enoosnih sledilnih paraboličnih zrcalih, ki usmerjajo svetlobo v linearni absorber. Takšne sisteme so predlagali za proizvodnjo pare v industriji in precej takšnih sistemov so postavili v Avstraliji, Evropi, Izraelu, na Japonskem in v ZDA.

Sistem je možno v osnovi uporabiti za pogon turbo generatorjev, vendar so do tega spoznanja prišli šele pred desetletjem, ko je prišlo do dramatičnega napredka. Začenši v letu 1985, je družba LUZ, z uporabo tehnologije razvite v Izraelu, inštalirala okoli 350 MW sončnih generatorjev (enote moči od 30 do 80 MW) v Kaliforniji, ki napajajo omrežje Kalifornijske Edisonove družbe. Ta dosežek je zasenčil ves predhodni trud v izkoriščanju


sončne energije. Uporabili so jih za pokrivanje konične moči (skupaj z rezervnim generatorjem na zemeljski plin) in z deželnimi in državnimi davčnimi olajšavami za sončne elektrarne, so bili ti projekti komercialno zanimivi za zasebne vlagatelje, ki so zagotovili več kot 1 milijardo ameriških dolarjev. (Družba ni investirala, ampak se je obvezala odkupovati električno energijo po dogovorjeni ceni.) Ko so ukinili davčne olajšave, projekti niso bili več zanimivi in dotok zasebnega kapitala je prenehal. Kot posledica je družbi ostala nedokončana elektrarna in je bila prisiljena iti v stečaj.

Premog

LUZelektrarne

Investicijski stroškiUS$/We

1995199319911989198719851981 19831979

1

2

3

456

8

20

10

Premog

LUZelektrarne

Cena energijeUS$/kWeh

1995199319911989198719851981 19831979

0,6

0,4

0,2

0,3

0,1

0,08

0,06

0,04

0,03

0,02

Slika 4.1: Sončna toplotna električna energija: investicijski stroški in cena energije

To je bilo občutno nazadovanje za celoten razvoj velikih sončnih elektrarn, kajti zaupanje, potrebno za pridobivanje občutnih vsot potrebnega kapitala, je oslabilo. To nesrečo še poudarja dejstvo, da je vsaka elektrarna, ki jo je zgradil LUZ, bolj učinkovita in cenejša kot njeni predniki in če gre verjeti “krivulji učenja”, potem bi prihodne elektrarne že v nekaj letih postale ekonomsko izvedljive tudi brez davčnih olajšav. To je prikazano na sliki 4.1. S prekomorskim kapitalom so v Izraelu ustanovili novo družbo SOLEL, ki naj bi nadaljevala razvoj, ki ga je začela družba LUZ. Ta program obsega neposredno proizvodnjo pare v zbiralnikih (namesto tekočega olja, ki ga je uporabljal LUZ), vendar pa je prezgodaj, da bi lahko karkoli napovedovali.

4.4 Visoko temperaturni aktivni sončni toplotni sistemi

Visoko temperaturni sistemi (do 1000 °C), ki uporabljajo zrcala v obliki rotirajočega paraboloida kot zbiralca, ki neprestano spremlja Sonce, so bili zgrajeni kot posamezne enote (do 11 m premera) s toplotnimi stroji v središču in močmi do 25 kW. (Motor, ki deluje po Stirlingovemu procesu, se je izkazal kot manj zadovoljiv, kot so pričakovali, in


dve pomembnejši družbi na tem področju sta se morali umakniti s trga.). Ministrstvo za energijo ZDA poroča, da ponovno ocenjujejo ta koncept. Velike zbiralnike s površino do 400 m2 in večje so proučevali na Avstralski državni univerzi. V žarišču se proizvaja para pod visokim tlakom, ki jo nato vodijo v osrednji klasični turbo generator. Cevnim povezavam med enotami v elektrarnah z veliko zmogljivostjo so se izognili s konceptom “osrednjega luknjastega sprejemnika”, nameščenega na visokem stolpu, ki sprejema sončno sevanje, ki se odbija na velikem številu posamično usmerljivih, skorah ravnih zrcal (“helio-statov”) s posamično površino do 100 m2. Dosežena so koncentracijska razmerja do več tisoč, ki jih je možno povečati do 10.000 z uporabo (fiksnih) dodatnih zrcal pred luknjami.

Dosegli so visoke temperature, ki bodo dovoljevale kombinirane plinsko-parne procese, z izkoristkom toplotne pretvorbe 50 % (v primerjavi z 30 do 35 % pri enojnih procesih). Do sedaj še niso zgradili enote v naravni velikosti.

Ti sistemi z visoko gostoto potrebujejo podnebje z jasnim in sončnim vremenom, kjer ni lokalnih potreb po teh velikih zmogljivostih. Zaradi tega je bilo zelo veliko truda vloženega v načine prenosa pretvorjene sončne energije iz teh (ali drugih) velikih sončnih sistemov na velike razdalje. Eden od pristopov je uporaba visoko temperaturne toplote v endotermični reakciji, pri kateri nastajata dve plinasti komponenti (ena je običajno vodik). Le-ti sta lahko transportirani po plinovodih do območij s potrebo po energiji, kjer se pridobiva energija s spajanjem teh dveh komponent v eksotermični reakciji. Kot alternativa se lahko vodik, ki ga je možno shraniti v obliki kovinskih hidridov ali pa v tlačnih valjih, proizvaja pri elektrolizi vode, ki jo poganja električna energija, proizvedena s sončno energijo. Vodik je čisto gorivo za proizvodnjo vode, ko zgoreva, ali pa električne energije v gorilnih celicah. Ta uporaba vodika kot medija za shranjevanje in prenašanje energije je znana pod imenom “ekonomija vodika”.

4.5 Fotoelektrični sistemi

Fotoelektrični člen, v katerem se vpadajoče sončno sevanje (ali njegov del) pretvarja neposredno v enosmerno električno energijo, tiho in brez onesnaževanja, se lahko pokaže kot najbolj enostaven in najbolj prefinjen pretvornik za izkoriščanje sončne energije. Sončne celice oz. sončni moduli (ki vključujejo več sestavljenih manjših celic v večjo enoto) se lahko med seboj povezujejo in tvorijo sisteme za proizvodnjo električne energije, katerih izhodne moči so lahko od nekaj milivatov do več megavatov. Enosmerno energijo je možno pretvoriti v izmenično s pomočjo statičnih pretvornikov, ki so s sedanjim razvojem energetske elektronike vse bolj uporabljivi.

Sončne celice proizvajajo napetost okrog 0,5 V in tok okrog 200 A/m2. Da bi dobili primerno napetost oziroma moč, se lahko celice združujejo zaporedno in vzporedno. Tako dobimo module sončnih celic v obliki plošče (panel), na katero so celice pritrjene in zaščitene pred atmosferskimi in drugimi vplivi. Moduli se zlagajo eden ob drugem v fotonapetostne ravne kolektorje. Kolektorji skupaj z ostalimi potrebnimi elementi (pretvorniki, regulatorji, akumulatorji itd.) tvorijo fotonapetostni sistem.

Fotoelektrične sisteme je enostavno namestiti in so, kot posledica njihove enostavnosti, zanesljivi in zahtevajo minimalno vzdrževanje. To je zagotovilo začetno tržno vzpodbudo za konkretno uporabo fotoelektričnih sistemov v področjih, ki so oddaljeni od omrežij za dobavo električne energije in kjer so potrebe po energiji skromne.


Ob vseh teh prednostih mogoče preseneča, da se morajo fotoelektrični sistemi komaj uveljaviti kot važnejši izvor električne energije. Kakorkoli, še vedno je treba premagati več tehničnih, ekonomskih in strukturalnih ovir preden bodo fotoelektrični sistemi imeli pomebnejši vpliv na vsesplošno tržišče z energijo.

Osnovna tehnična ovira leži v sami naravi izvora energije. Najprej je tukaj nizka gostota sončnega sevanja, tipično okoli 1000 W/m2, ki skupaj z učinkovitostjo pretvorbe, ki za večino sončnih modulov v masovni proizvodnji znaša 12 do 13 %, kaže končno uporabno energijo, ki znaša okoli 120 W/m2. Za razliko od fotosinteze in kemične pretvorbe, fotoelektrični člen nima “vgrajenega” skladišča energije. Pri nekaterih uporabah, kot naprimer pri črpanju vode, shranjevanje električne energije ni potrebno. Za uporabo v komunikacijah je treba imeti akumulatorje ali pa rezervno napajanje. Problem shranjevanja predstavlja pri malih sistemih razen dodatnih stroškov majhno težavo, vendar pa predstavlja glavno oviro pri širši uporabi fotoelektričnih členov v velikih neomrežnih napeljavah. Kjer je potrebno v neomrežnih napeljavah “jamčiti “ električno energijo tudi ob dnevih, ko ni sonca, se fotoelektrični členi pogosto povezujejo v hibridne sisteme skupaj z dieselskimi generatorji. Za uporabo v omrežjih pa predstavlja v sedanjosti glavni problem to, kar družba za izkoriščanje imenuje slab “faktor zmogljivosti”, s svojim očitnim vplivom na ceno. Glavna ovira za globji prodor na trg z energijo predstavlja cena sončne električne energije v primerjavi s ceno energije iz običajnih izvorov.

Tega ne smemo spregledati v presenetljivem uspehu proizvajalcev v zniževanju cene fotoelektrične energije zadnjih dveh desetletjih. Industrija definira ceno fotoelektrične energije v “dolarjih na watt”, to je cena sončnega modula deljena z konično izhodno močjo pri maksimalnem soncu. Trenutna tržna cena za velike sisteme znaša okoli 5 US$/W, kar je ena desetina cene sončnega modula v letu 1975. Vendar pa proizvaja sončni modul, ki stane 5 US$/W, električno energijo s ceno od 20 do 50 centov/kWh (odvisno od položaja in od predspostavljene pomembnosti). To predstavlja pet do desetkratno ceno električne energije iz običajnih izvorov. Na srečo je še vedno možno zmanjševati cene sončnih modulov. Obstajata dve osnovni smeri: večja električna zmogljivost in manjša poraba materiala. V masovni proizvodnji so sedaj komercialno dosegljive sončne celice z električnim izkoristkom, ki se približuje 17 %. Celice z izkoristkom, večjim od 20 %, se rutinsko izdelujejo v laboratorijih po vsem svetu. Izziv je, kako prenesti te bolj izpopolnjene celice v masovno proizvodnjo, ne da bi prišlo do cenovnega skoka, ki bi v veliki meri zmanjšal prednosti višjega izkoristka.

Do danes so ostali prevladujoča tehnologija kristali silicija, od katerih predstavljajo v letu 1994 grobo polovico vseh pošiljk monokristali silicija, dodatnih 30 % pa predstavljajo silicijevi polikristali. Kakorkoli, želja po čim manjši porabi materiala in olajšanja masovne proizvodnje je vodila k razvoju množice tehnologij “tankih plasti”, kot so na primer amorfni silicij, kadmijev telurat in bakrov-indijev diselenit. Do danes so te tanke plasti slabo prodrle na trg fotoelektričnih členov. Relativno slabi izkoristki so prevladali nad njihovo potencialno nizko ceno in občutne nepravilnosti v prvih letih obstoja so vplivale na motnje v razvoju.

Alternativna pot do manjše porabe materiala je bilo zgoščevanje sončnega sevanja na posebej oblikovane sončne celice z uporabo zrcal ali pa preprostih plastičnih leč. Razvitih je bilo veliko zgoščevalnikov sevanja za fotoelektrične člene. Dodatna zapletenost sistema izhaja iz potrebe po sledilnih sistemih, ki sledijo Soncu, vendar bi bila za področja z veliko sončnimi dnevi in z jasnim nebom ekonomika zgoščevalnikov zelo ugodna.


Pri poskusu zmanjšanja stroškov niso zanemarili niti ostalih elementov v fotoelektrični verigi. Ko so sončni moduli postajali cenejši, je postajalo vse pomebnejše “uravnoteženje sistemskih” komponent, kot so akumulatorji, inverterji in oprema za elektronsko kontrolo. Dolgoročno lahko to odločilno vpliva na ceno fotoelektrične energije.

Razen tehničnih in ekonomskih so obstajale še ostale ovire za večji prodor sončne električne energije na trg z energijo. Te ovire so bile večinoma “strukturalne” in so bile povezane s počasnim razvojem tržnih mehanizmov, ki naj bi reklamirali hitrejši razvoj fotoelektrične energije. To se je zgodilo tako v državah v razvoju, kakor tudi v razvitem svetu. Kljub tem oviram je trg fotoelektrične energije vedno naglo naraščalo, tudi zaradi pripadajočih prednosti ter družbenih in okoljevarstvenih koristi. Iz majhnih začetkov v zgodnjih sedemdesetih letih je trg za fotoelektrične sisteme vseh vrst naraščalo do leta 1994, okoli 60 MW na leto (slika 4.2). Skupno so od leta 1976 proizvajalci izdelali za več kot 400 MW modulov. Tukaj ni vsebovana znatna količina, ki so jo dobavili porabniškim proizvodom (kalkulatorji in ostali majhni porabniki). V zadnjih petih letih je bila povprečna letna rast 15 %, pričakuje pa se, da se bo še stopnjevala do konca stoletja, ko bodo izvedene nove večje aplikacije, povezane v omrežje.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990

OSTALI

JAPONSKA

EVROPA

ZDA

Moč [MW /leto]

Slika 4.2: Letne proizvodnje fotoelektričnih sistemov

Osnovna uporaba fotoelektrične energije je bila za daljinske telekomunikacije, za katodno zaščito cevovodov in za svetlobno signalizacijo v pomorskem ali zračnem prometu. V teh zgodnjih aplikacijah so zanesljivost, nizka potreba po vzdrževanju in nepotrebnost dodajanja goriva dejavniki, ki so prevladali nad velikimi začetnimi stroški. V preteklih petnajstih letih so se fotoelektrični sistemi uveljavili kot ekonomičen in zanesljiv izvor energije za zagotavljanje razsvetljave, čiste vode in izboljšanje zdravstvenih storitev v izoliranih podeželskih območjih.

Predvideva se, da bo v začetku prihodnjega stoletja prišlo do naglega povečanja uporabe sončnih modulov povezanih v omrežje. Planirana sta dva načina: centralizirane fotoelektrične postaje (fotoelektrične elektrarne) in sistemi, združeni v zgradbe, kjer bodo fotoelektrične plošče nameščene na fasadah ali strehah poslovnih ali privatnih hiš.


Centralizirane fotoelektrične postaje bodo najverjetneje uporabljene za vodenje s porabo oziroma za “rezanje konic” (gladile bodo krivuljo električne porabe) v električnih omrežjih. Možno jih je tudi uporabiti za učvrstitev omrežij v bližini koncev dolgih linij. Ministrsvo za energijo ZDA izvaja šestletni program delitve stroškov z večimi družbami v ZDA, v okviru katerega bodo v omrežje do leta 2000 priključili 50 MW fotoelektričnih sistemov.

Pričakuje se, da bodo fotoelektrični sistemi imeli največji vpliv v mestih in velemestih. Fotoelektrični sistemi so edini obnovljivi izvor, ki ga je možno množično uporabiti v naseljenih področjih. Vpadni kot Sonca na severnih zemljepisnih širinah in pomanjkanje površin za izgradnjo osrednjih fotoelektričnih elektrarn sta poskrbela, da so začeli na južnih straneh stavb nameščati fotoelektrične plošče oziroma razvijati podoben koncept z uporabo “fotoelektričnih strešnikov”.

Če iz lokalnega električnega omrežja ni možno zagotoviti rezervnega napajanja, je obvezno potrebno poskrbeti za shranjevanje električne energije. V kasnejših izvedbah je možno odvečno energijo vračati v omrežje preko dvosmernih števcev električne energije. V Evropi in na Japonskem so primeri, ko so državne in deželne vlade finančno podprle takšne projekte. Ker se stroški zmanjšujejo, bodo te finančne podpore vedno manjše in na koncu bodo te napeljave upravičevali samo z ekonomskimi prijemi.

4.5.1 Fizikalne osnove sončnih celic

Fotoefekt je prvi opazil Becquerel leta 1838, ko je posvetil na elektrodo v elektrolitu. Kasneje so raziskovali fotoefekt na selenu in bakrovem oksidu. Tehnični pomen je dobil samo selenski fotoelement in sicer kot svetlomer. Izkoristek takšnega elementa je samo okrog 1 %. Šele v sredini 20. stoletja (vesoljska tehnika) so odkrili fotoelement z znatno večjim izkoristkom, v katerem se kot aktivni materiali uporabljajo polprevodniki.

Splošno o kristalu in razmere v čistem polprevodniku

Kristal je nekakšna velika molekula iz zelo velikega števila atomov. Njegova pravilna oblika odraža notranjo urejenost. Atomi so v kristalu periodično razporejeni v prostoru, v izbrani smeri pa naletimo po določeni razdalji vedno znova na enake razmere. Ta periodičnost in bližina sosednjih atomov sta krivi, da se razporeditev elektronskih nivojev v kristalu razlikuje od razporeditve v osamljenem atomu. Elektronski nivoji so v kristalih strnjeni v energijske pasove. Energijski pas je energijski interval, v katerem se elektronski energijski nivoji gosto posejani. Med posameznimi energijskimi pasovi so področja, kjer nivojev sploh ni. To so prepovedani pasovi. Med dovoljenimi pasovi sta za električne lastnosti silicija posebej pomembna valenčni in prevodni pas. V valenčnem pasu so, kot že samo ime pove, valenčni elektroni. Prvi višji energijski pas je prevodni pas. V tem pasu je običajno le malo elektronov. Širina prepovedanega pasu med valenčnim in prevodnim pasom je pri siliciju 1,1 eV.

V kristalu so v osnovnem stanju, to je pri kolikor mogoče nizki temperaturi v bližini absolutne ničle, zasedeni najnižji mogoči nivoji, ki jih dopušča izključitveno načelo. Če je

valenčni pas popolnoma zaseden, je kristal polprevodnik ali izolator. Elektroni v zasedenem energijskem pasu ne morejo slediti električni sili, ko pritisnemo na kristal

napetost in ne prispevajo k prevajanju. Prevodni pas je pri izolatorjih in polprevodnikih nezaseden in energijska špranja, to je prepovedani pas med valenčnim in prevodnim


pasom, je tako široka, da elektron v enem koraku ne more dobiti zadostne energije za prehod čezenj. Polprevodniki in izolatorji pri nizki temperaturi torej ne prevajajo.

Pri prevodniku je v neposredni bližini zasedenih nivojev dovolj nezasedenih nivojev, prevodni pas (PP) je samo delno zaseden, oziroma zasedeni valenčni pas (VP) se prekriva z nezasedenim prevodnim pasom. Wf je energija Fermijevega nivoja, ki ustreza v prevodniku pri zelo nizki temperaturi meji, pod katero so nivoji zasedeni, nad njo pa nezasedeni. Pri čistem polprevodniku je Fermijeva energija na sredi med valenčnim in prevodnim pasom. Fizikalni pomen Fermijeve energije je, da je z njo določena verjetnost zasedenosti nekega energijskega nivoja.

Wg je energija reže. Prepovedani pas v izolatorju med zasedenim valenčnim pasom in nezasedenim prevodnim pasom je širok okoli 10 eV, v polprevodniku pa okoli 1 eV.

W

W

W

Wf

Wg

WgPP

VP

PP

VP

a) c)b)

Slika 4.3: Razmere pri nizkih temperaturah:

a) elektroni v energijskih pasovih prevodnika b) elektroni v energijskih pasovih polprevodnika c) elektroni v energijskih pasovih izolatorja

Razlika med polprevodnikom in izolatorjem je v širini prepovedanega pasu, zato se pri sobni temperaturi polprevodnik vede drugače kot izolator. Polprevodnik pri sobni temperaturi prevaja, vendar je njegova prevodnost sorazmerno majhna, ker je majhna gostota elektronov v prevodnem pasu. Čez mnogo širši, prepovedani pas izolatorja preide pri sobni temperaturi zanemarljivo število elektronov iz valenčnega pasu v prevodni pas in zato izolator tudi pri sobni temperaturi ne prevaja. V kovini se valenčni in prevodni pas prekrivata ali pa je valenčni pas le delno zaseden in je torej izenačen s prevodnim pasom. V energijskem spektru je tedaj tik ob zasedenih nivojih dovolj nezasedenih nivojev in lahko elektroni sledijo električni sili. Elektron, ki preide iz valenčnega pasu v prevodni pas, zapusti v valenčnem pasu vrzel, to je nezasedeni nivo. Gostota vrzeli v valenčnem pasu je pri čistem polprevodniku enaka gostoti elektronov v prevodnem pasu. Vrzel zasede kak elektron z enega od bližnjih zasedenih nivojev in vrzel se preseli na ta nivo. Vrzel v valenčnem pasu se tedaj lahko, tako kot elektron v prevodnem pasu, giblje po kristalu podobno, kot da bi bila prosta.


W W

WfWg Wg

PP

VP

PP

VP

a) b)

Slika 4.4: Razmere pri čistem polprevodniku:

a) pri zelo nizki temperaturi je valenčni pas zaseden in prevodni pas nezaseden

b) če dobi elektron v valenčnem pasu dovolj energije, npr. pri sobni temperaturi zaradi nihanja kristalne mreže, preide v prevodni pas in pusti v valenčnem pasu vrzel

Ob prehodu elektrona iz valenčnega pasu v prevodni pas nastane vedno par: elektron - vrzel. Za nastanek para je treba dovesti energijo, ki je določena z razliko nivojev elektrona in vrzeli, torej najmanj energijo, ki je enaka širini prepovedanega pasu. Pri nasprotnem pojavu, rekombinaciji, zasede elektron iz prevodnega pasu vrzel v valenčnem pasu. Pri tem se sprosti energija, ki jo določa razlika nivojev elektrona in vrzeli, torej najmanj energija, ki je enaka širini prepovedanega pasu. Vse to velja za čist polprevodnik, ki pa za uporabo ni najbolj zanimiv. Mnogo uporabnejši je polprevodnik s primesjo, ki jo dodamo z namenom, da vplivamo na njegove prevodne lastnosti. Pri siliciju uporabljamo kot primesi elemente iz sosednjega stolpca v periodnem sistemu, to so tri ali pet valentni elementi.

Razmere v polprevodniku s primesmi petvalentnega elementa

Atom petvalentnega elementa zasede v kristalni mreži mesto atoma polprevodnika. Ta atom ima namesto štirih zunanjih elektronov pet takih elektronov. Peti valenčni elektron je šibko vezan na atom primesi in zaseda energijski nivo, ki je za Wp pod dnom prevodnega pasu. V osnovnem stanju pri zelo nizki temperaturi je najnižji nivo v celoti zaseden in tedaj so peti elektroni vezani vsak na svoj atom. Pri sobni temperaturi pa preidejo praktično vsi elektroni z nivojev primesi v prevodni pas in se atomi primesi spremenijo v ione z enim pozitivnim osnovnim nabojem. Povprečna energija nihanja atomov pri sobni temperaturi 0,025 eV je namreč večja od ionizacijske energije Wp in elektroni dobijo potrebno energijo pri trkih z njimi.

Ti elektroni, kot pač elektroni v prevodnem pasu sploh, prispevajo k prevajanju električnega toka. Njihovo gostoto uravnavamo z dodatkom atomov primesi in tako dosežemo prevodnost, ki je precej večja od prevodnosti čistega polprevodnika (silicija). Pri sobni temperaturi je v prevodnem pasu polprevodnika s petvalentno primesjo tudi nekaj elektronov, ki so vanj prišli iz valenčnega pasu, kjer so zapustili vrzeli. Vendar so elektroni, ki izvirajo iz atomov primesi, navadno v veliki večini.


Negativni prevodniški elektroni so večinski nosilci naboja in zato govorimo o polprevodniku n. Nivoji primesi pa so v tem primeru donorski nivoji. Atomu petvalentne primesi, ki odda pri sobni temperaturi svoj peti elektron, pravimo donor. V polprevodniku n gostota prevodniških elektronov navadno znatno presega gostoto vrzeli in je Fermijev nivo premaknjen proti dnu prevodnega pasu.

Wp

W W

WfWg Wg

PP

VP

PP

VP

a) b)

WfDN

Slika 4.5: Razmere v polprevodniku n:

a) donorski nivoji in zaseden valenčni pas so pri zelo nizki temperaturi zasedeni, prevodni pas pa nezaseden

b) pri sobni temperaturi preide peti zunanji elektron z donorskega nivoja na nivo pri dnu prevodnega pasu

Razmere v polprevodniku s primesmi trivalentnega elementa

Razmere v polprevodniku s primesmi trivalentnega elementa so nekako simetrične razmeram v polprevodniku n. V valenčnem pasu takega polprevodnika je na vsak atom primesi po en nivo manj, tako da je v osnovnem stanju pri zelo nizki temperaturi valenčni pas popolnoma zaseden. Za ionizacijsko energijo Wp nad vrhom valenčnega pasu so nivoji primesi, ki so v osnovnem stanju nezasedeni. Ta ustreza vrzelim, od katerih je vsaka vezana na svoj atom primesi. Pri sobni temperaturi preidejo elektroni z vrha valenčnega pasu na nivoje primesi in zapustijo v valenčnem pasu vrzeli. Vrzeli, ki so v osnovnem stanju vezane, postanejo zdaj proste in atomi primesi se spremenijo v ione z enim negativnim osnovnim nabojem. Gostoto vrzeli, ki prispevajo k prevajanju, uravnavamo z dodatkom primesi in tako lahko dosežemo prevodnost, ki je precej večja od prevodnosti čistega polprevodnika (silicija).

Pri sobni temperaturi je v valenčnem pasu tega polprevodnika tudi nekaj vrzeli, ki so nastale, ko so prišli elektroni iz valenčnega pasu v prevodni pas. Vendar so vrzeli iz atomov primesi navadno v veliki večini. Pozitivne vrzeli so večinski nosilci naboja in zato govorimo o polprevodniku p. Atomu trivalentne primesi, ki pri sobni temperaturi sprejme elektron, pravimo akceptor. Nivoji primesi so v tem primeru akceptorski nivoji. V polprevodniku p gostota vrzeli navadno znatno presega gostoto prevodniških elektronov in je Fermijev nivo premaknjen proti vrhu valenčnega pasu.


W W

Wf

Wg

PP

VP

PP

VP

a) b)

WfAN

Wp

Slika 4.6: Razmere pri polprevodniku p:

a) akceprotski nivoji so pri zelo nizki temperaturi nezasedeni, valenčni pas je zaseden, prevodni pas pa ne

b) pri sobni temperaturi preide elektron z nivoja ob vrhu valenčnega pasu na akceptorski nivo in zapusti vrzel v valenčnem pasu

Kontaktna dioda

Stik med polprevodnikom p in polprevodnikom n v silicijevem kristalu je bistveni del sončne celice (fotoelektričnega člena, fotoelementa).

Fotoelement je posebna oblika kontaktne diode. Konstruiran je tako, da svetlobni žarki padajo skozi tanki prozorni sloj polprevodnika p na kontaktno področje obeh vrst polprevodnikov. Skico fotoelementa prikazuje slika 4.7.

+

_

p

n

Slika 4.7: Prerez kontaktne diode

Ko dioda ni priključena na zunanji izvor napetosti, je v ravnotežnem stanju Fermijev nivo Wf v obeh delih enak. Slika 4.8 prikazuje energijski diagram v bližnji okolici kontaktnega področja. V polprevodniku n prevladujejo elektroni. Skupni tok elektronov in vrzeli mora biti enak nič, ker je spoj v ravnotežju. Znotraj ozkega kontaktnega področja se koncetracija elektronov in vrzeli menjava. Izven tega področja so nosilci nabojev v ravnotežju.


polprevodnikp

polprevodnikn

Razdalja

Energijaprevodni pas

A Bvalenčni pas

Wf

q⋅Uk

Slika 4.8: Energijski diagram spoja polprevodnikov p in n v ravnotežnem stanju

Tok elektronov in vrzeli v kontaktnem področju se da določiti s pomočjo posamičnih tokov. Elektroni brez težav pridejo skozi ravnino A in dosežejo ravnino B in sicer zaradi njihovega predznaka in energijskega stanja. Vsi elektroni, katerih koncentracija je zelo majhna, lahko preidejo iz enega v drugo področje. Drugače pa je pri prehodu vrzeli iz polprevodnika p v n, kjer obstaja potencialna kontaktna bariera q⋅Uk, ki je posledica predznaka naboja vrzeli in njihovega energijskega stanja. V drugo področje skozi ravnino B lahko prispejo samo vrzeli, ki imajo večjo energijo od bariere q⋅Uk oziroma sorazmerno

eq Uk T

k− ⋅⋅

q = naboj elektrona = 1,602⋅10-19 As

k = Boltzmannova konstanta = 1,38⋅10-23 J/K = 8,6⋅10-5 eVK-1

Analogno velja za prehod nosilcev naboja iz polprevodnika n skozi ravnino B proti polprevodniku p - preidejo lahko vse vrzeli, a samo del elektronov.

Enačbe za posamezne toke so [17]:

I K n1 1 1= ⋅ tok elektronov iz p v n

I K p eq Ukk T

2 2 2= ⋅ ⋅− ⋅

⋅ tok vrzeli iz p v n

I K n eq Ukk T

3 3 3= ⋅ ⋅− ⋅

⋅ tok elektronov iz n v p

I K p4 4 4= ⋅ tok vrzeli iz n v p

n1 predstavlja koncentracijo elektronov v polprevodniku p, p2 koncentracijo vrzeli v polprevodniku p, n3 koncentracijo elektronov v polprevodniku n in p4 koncentracijo vrzeli v polprevodniku n. K1, K2, K3 in K4 so konstante, ki so odvisne od lastnosti polprevodnika.


Skupni tok, upoštevajoč predznake in smeri tokov, je torej:

I I I I I K n K p K p K n ed

q Ukk T= − + + − = − ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅

− ⋅⋅

1 2 3 4 1 1 4 4 2 2 3 3( ) ( )

V ravnotežnem stanju je:

( ) ( )K n K p K p K n eq Ukk T

1 1 4 4 2 2 3 3⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅ ⋅− ⋅

⋅ ,

kar pomeni, da je tok manjšinskih nosilcev naboja enak toku večinskih nosilcev.

polprevodnikp

polprevodnikn

Razdalja

Energijaprevodni pas

A Bvalenčni pas

Wf

q⋅(Uk - U)

q⋅U

Slika 4.9: Energijski diagram spoja polprevodnikov p in n pri vsiljeni zunanji napetosti U

Če priključimo na diodo zunanjo napetost U (slika 4.9), je potencialna bariera za toka I2 in I3 manjša, to pa pomeni, da se ta dva toka povečata. I1 in I4 se ne spremenita, saj za njiju tudi pri priključeni zunaji napetosti potencialna bariera ne obstaja. Od skupnega števila večinskih nosilcev naboja preide v drugo področje torej tisti del, ki je sorazmeren

eq U U

k Tk− ⋅ −⋅

( )

skupni tok pa je enak:

I K n K p K p K n ed

q Uk Uk T= − ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅

− ⋅ −⋅( ) ( )

( )

1 1 4 4 2 2 3 3

Prvi člen predstavlja tok, ki je posledica manjšinskih nosilcev naboja v obeh tipih polprevodnika in se imenuje reverzni tok nasičenja I0. Iz gornje enačbe je razvidno, da je tok I0 enak:

I K p K n eq Ukk T

0 2 2 3 3= ⋅ + ⋅ ⋅− ⋅

⋅( )

Potem, ko vstavimo izraz za reverzni tok nasičenja v enačbo za skupni tok, dobimo karakteristiko kontaktne diode, ki podaja odvisnost toka I od napetosti U:


I K p K n e e I eq Ukk T

q Uk T

q Uk T= − ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ − = ⋅ −

− ⋅⋅

+ ⋅⋅

+ ⋅⋅( ) ( ) ( )2 2 3 3 01 1

U

I

I0

Slika 4.10: I - U karakteristika kontaktne diode

Fotoelektrični učinek

Celico na sliki 4.7 osvetljujemo s strani, kjer je razdalja med površino in stikom p - n manjša. Svetloba se večinoma absorbira v področju p in deloma tudi v področju n. Absorbcijski koeficient za vidno svetlobo je pri siliciju dokaj velik in zato sončna svetloba prodre v kristal le do globine nekaj mikronov. Pri absorbciji vzbude posamezni svetlobni kvanti elektrone iz valenčnega pasu v prevodni pas. Tako nastanejo pari elektron - vrzel. Da je tak prehod možen, mora biti energija fotona večja, kot je širina prepovedanega pasu.

Wg ≤ h ⋅ f , kjer je h = Planckova konstanta = 6,6⋅10-34 kg m2 s-1 in f = frekvenca svetlobe.

W h cg ≤

⋅λ

,

kjer je: λ = valovna dolžina in c = hitrost svetlobe (v vakuumu) = 2.99⋅108 m s-1

λ ≤⋅h c

Wg ,

kjer je: Wg = energija reže.

Pri siliciju (Wg = 1,1 eV) pride v poštev le svetloba z valovnimi dolžinami pod 1,1⋅10-6 m, torej je izkoristljiva le vidna svetloba.

Tok nasičenja lahko dovolj točno izračunamo z enačbo:

I a T eWg

k T0

3= ⋅ ⋅−

⋅ ,

kjer je a konstanta, odvisna od lastnosti polprevodnika, Wg pa širina prepovedanega pasu.


Ko je kontaktna dioda izpostavljena snopu svetlobnih žarkov, si jo lahko predstavljamo v curku fotonov. Foton lahko trči s prostim elektronom, z elektronom ali vrzeljo v valenčnem pasu. V polprevodnikih je kljub relativno visoki koncentraciji prostih elektronov v prevodnem pasu koncentracija elektronov v valenčnem pasu znatno večja (več kot 104 krat). Zaradi tega je verjetnost, da bo foton oddal svojo energijo prostemu elektronu, zelo majhna.

polprevodnikp

polprevodnikn

Razdalja

EnergijaA B

Wg

4 3 1 2 5

h⋅fh⋅f

h⋅f

Slika 4.11: Delovanje fotonov (Wg ≤ h ⋅ f) v področju spoja polprevodnikov

Oglejmo si sedaj, kaj se dogaja, ko foton z energijo večjo od Wg (širina prepovedanega pasu) zadene elektron v valenčnem pasu. Zadeti elektron je lahko v različnih območjih z ozirom na spoj med obema vrstama polprevodnika (slika 4.11). Vsak tak zadetek povzroči nastanek para nosilcev naboja. Če novi par nastane v področju 1, v katerem je znatni potencialni gradient, bo elektron po skoku v prevodni pas prešel v področje polprevodnika n, vrzel pa v valenčni pas polprevodnika p. V primeru, da par nosilcev naboja nastane v bližini ravnine B v polprevodniku n (področje 2 na sliki 4.11) za vrzel ni ovire, da preide v področje polprevodnika p, ker zanjo potencialna bariera ne obstaja. Tako nastali elektron bo prešel v prevodni pas, vendar bo prehod v področje polprevodnika p odvisen od njegove energije, ker mora premagati potencialno bariero. Končni izid je, da vse vrzeli in samo del elektronov krene proti polprevodniku p.

Analogen je primer, ko par nosilcev naboja nastane v polprevodniku p v bližini ravnine A (področje 3 na sliki 4.11). Tedaj vsi elektroni po skoku v prevodni pas brez ovir preidejo v področje polprevodnika n, vrzeli pa samo tiste, ki imajo dovolj energije, da premagajo potencialno bariero. In končno, če pari nosilcev naboja nastanejo daleč od ravnine A in B (področji 4 in 5 na sliki 4.11), bo po prehodu elektrona v prevodni pas najverjetneje prišlo do rekombinacije z vrzeljo. Takšno nastajanje parov nosilcev naboja ne bo vplivalo na dogajanja v kontaktni diodi.

Oddaljenost od kontaktnega področja, ki odloča o tem, ali bo prišlo do rekombinacije elektronov in vrzeli, je odvisna od difuzijske razdalje, ki je enaka srednji poti nosilca naboja pred rekombinacijo.


Verjetnost, da se na oddaljenosti d od kontaktnega področja odvijajo procesi 2 in 3, je enaka

ed

L−

,

kjer pomeni L difuzijsko razdaljo. Tipične vrednosti difuzijskih razdalj znašajo od 10-6 do 10-4 m, odvisne pa so od koncentracije nosilcev naboja in tehnološkega postopka izdelave polvodnika.

Pretok elektronov, ki ga povzroči svetloba skozi režo, si lahko predstavljamo kot elektronski tok (tok izvora). Če zanemarimo izgube, prispeva vsak foton en osnovni naboj k toku izvora. Sončna celica je sposobna takšen namišljeni tok pretvoriti v dejanski električni tok skozi napravo.

Tok je

Il = q⋅N⋅A ,

kjer je N število fotonov v vidnem delu spektra in A soncu izpostavljena površina polprevodnika. Sončna celica proizvaja električno energijo tako, da s svetlobo generirane pare elektron - vrzel ločuje na oba priključka. Ločevanje je možno samo v primeru, ko elektrostatična energija naboja po ločitvi ne presega energije para v polprevodniku. To postavlja zgornjo mejo napetosti

UWq

g= .

Najvišja možna napetost v voltih je numerično enaka energiji reže polprevodnika v elektronskih voltih. Dejanske napetosti so znatno nižje.

Obratovalne lastnosti

Tok elektronov in vrzeli preko zaporne plasti lahko merimo v zunanjem tokovnem krogu, če ga sklenemo preko merilnega inštrumenta. Največji tok dobimo, če v tokovnem krogu ni bremena. To je s svetlobo generirani tok sončne celice, ki je sorazmeren osvetlitvi (za določen frekvenčni spekter). Il , kot označimo generirani tok, je posledica difuzije nosilcev naboja skozi kontaktno površino.

Čeprav tokovi I1, I2, I3 in I4 tečejo znotraj polprevodnikov, se v zunanjem tokokrogu ne pojavijo, ker je njihova vsota enaka 0 (saj je tudi napetost med priključki 0). Ko priključimo med priključke upor R, se na njem pojavi napetost U, ki zmanjšuje potencialno bariero spoja polprevodnikov in zaradi tega se tokova I2 in I3 povečata. Tokovi I1, I4 in Il se ne spremenijo, ker nanje višina potencialne bariere ne vpliva. Skupni tok skozi upor R je enak:

I = Il + I1 - I2 - I3 + I4

Pri sončni celici vpadli fotoni generirajo tok v zaporni smeri, ki je glede na karakteristiko diode negativen. To je generiran tok, zato ga upoštevamo s pozitivnim predznakom, enačba pa dobi tako naslednjo obliko:

I I I eq Uk T= − ⋅ −⋅⋅l 0 1( ) .


I - U karakteristiko sončne celice lahko dobimo tudi s pomočjo ekvivalentnega vezja na sliki 4.12. Tok, ki ga generira svetloba, je predstavljen s tokovnim generatorjem; njemu je paralelno vezana dioda, ki predstavlja p - n spoj. Tok I v zunanjosti je razlika s svetlobo generiranega toka in toka skozi diodo.

I - U karakteristika ima nekaj značilnih točk. Ena je kratkostični tok Isc, ki je kar s svetlobo generirani tok Il . Druga značilna točka je napetost praznega teka U0, če prekinemo zunanji tokokrog.

U

I

Il Id

Il

I

v temi(dioda)

osvetljena(sončna celica)

Slika 4.12: Ekvivalentno vezje in I - U karakteristika sončne celice

Tedaj je I = 0 in dobimo:

I I eq Uk Tl = ⋅ −⋅⋅0

0

1( )

kjer je U0 napetost fotoelementa v praznem teku.

Enačbo logaritmiramo in izračunamo U0:

Uk T

qII

UII

T00 0

1 1=⋅

⋅ +⎛⎝⎜

⎞⎠⎟= ⋅ +

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

ln lnl l

Tako Il kot I0 sta odvisna od zgradbe fotoelementa. Vendar je I0 tisti, ki določa napetost praznega teka, saj se lahko spreminja za več velikostnih redov v odvisnosti od geometrije in procesa.

Izkoristek fotoelementa

Če na površino fotoelementa pada svetlobni tok, ki prinaša N0 fotonov v sekundi na enoto površine s povprečno energijo Wm (J), je dovedena moč na enoto površine:

P0 = N0⋅Wm (W/m2)


Del te moči (r⋅Po) se odbije od površine fotoelementa, drugi del pa se absorbira. Absorbcijo upoštevamo s faktorjem absorbcije α, ki je odvisen od valovne dolžine in lastnosti polprevodnika. Moč sevanja s prodiranjem skozi material polprevodnika pada zaradi absorbcije. Na oddaljenosti x od površine je moč sevanja:

P P r exx= ⋅ − ⋅−

0 1( )α

Absorbirana moč v polprevodniku debeline l je razlika med močjo sevanja na zgornji in med močjo sevanja na spodnji površini (slika 4.13):

P P r e l= ⋅ − ⋅ −−

0 1 1( ) ( )α

; l = “debelina” fotoelementa

l

(1-r)⋅P0

P0

P r e x0 1⋅ − ⋅

−

( )α

Slika 4.13: Sprememba moči sevanja pri prehodu skozi polprevodnik

To je torej sevalna moč, ki se lahko transformira v električno.

Število fotonov, ki so se absorbirali v fotoelementu, je sorazmerno absorbirani moči:

N N (1 r) (1 e )0 l= ⋅ − ⋅ −−α

Svetlobni tok vsebuje fotone različnih energij, vendar pa lahko pri transformaciji sodelujejo samo tisti, katerih energija je večja od energije reže, s katero je določena širina prepovedanega pasu. Označimo ta del fotonov z Zg. Samo del Zg⋅N0 fotonov ustvari pare nosilcev naboja v področju okoli kontaktne površine polprevodnikov, ki povzročijo povečanje toka (drugi se rekombinirajo). Če označimo s Q ta del elektronov v zmnožku Zg⋅N0, je skupno število fotonov, ki sodelujejo pri nastanku tistih parov nosilcev naboja, zaradi katerih se pojavi tok Il , izraženo z enačbo:

N Z N Q r es g l= ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ −−

0 1 1( ) ( )α

Ker vsak tak foton povzroči povečanje naboja za q (q = 1,602⋅10-19 As), lahko tok Il izrazimo takole:

I q Z N Q r eg ll = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ −−

0 1 1( ) ( )α

V gornji enačbi so vse veličine razen N0 in q odvisne od lastnosti polprevodnika in od izvedbe samega fotoelementa.


Tok I skozi upor R pomnožimo z napetostjo in dobimo moč, ki jo lahko izkoristimo:

P U I U I I eq Uk T= ⋅ = ⋅ − ⋅ −

−⋅⋅( ( ))l 0 1

Ker so vse veličine razen napetosti U konstantne, je moč torej funkcija napetosti.

Z odvajanjem in izenačenjem z 0 dobimo optimalno napetost Um, pri kateri je moč največja. Z nekaterimi poenostavitvami:

e 1

I I

q Uk T

0

m⋅⋅ >>

>>l

dobimo naslednji enačbi:

I I I e

II

(q Uk T

)

m

q Uk T

m

m

= − ⋅

= +⋅⋅

⋅⋅l

l

0

01

Obe enačbi združimo v eno:

I IU

Uk T

q

IU

U Um

m

m

m

m T= ⋅

+⋅ = ⋅

+l l

Uk T

qT =

⋅ je značilni podatek fotoelementa, ki ji pravimo termična konstanta.

Maksimalna moč je zmnožek optimalne napetosti in toka:

P U I IU

U Um m

m

m Tmax = ⋅ = ⋅

+l2

Največji izkoristek je enak razmerju maksimalne moči Pmax in moči sevanja P0:

η

α

max

( ) ( )=

⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ −⋅

+

−q Z Q r e

WU

U Ug

l

m

m

m T

1 1 2

Izkoristek je na osnovi teorije zelo težko določiti, saj večina veličin ni odvisna le od lastnosti polprevodnikov ampak tudi od valovne dolžine, vsako sevanje pa ima fotone različnih energij. Najenostavneje je zato določati izkoristek iz tokovnih karakteristik (slika 4.14).


Pmax = Umax⋅Imax

U (V)

I (mA)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,60

10

20

30

40

50

R prevelik

R optimalen

R premajhen

P = konst.

Isc

Imax Pmax

U0Umax

Slika 4.14: Grafično določanje največje moči sončne celice

V kratkem stiku ali praznem teku ni generirane moči. Moč je največja v točki, kjer je zmnožek toka in napetosti največji. Na sliki 4.14 predstavlja točka največje moči največjo površino pravokotnika. Običajno je v uporabi polnilni faktor (Fill-factor)

Pmax = Um⋅Im = FF⋅U0⋅Isc .

Za večino celic je polnilni faktor okoli 0,8.

Izkoristek η je definiran kot razmerje moči Pmax, ki jo daje celica pri točki največje moči pri standardnih testnih pogojih in moči sevanja. Največkrat je v uporabi sevanje 1000 W/m2 in temperaturi 25 °C.

Preglednice izkoristkov sončnih celic na naslednjih straneh so prevzete iz revije Progress in photovoltaics, Vol. 3, (1995), pp 231-233: Solar Cell Efficiency Tables (Green&Energy).

Najpomembnejše merilo za vključitev izidov v preglednice je ta, da so bili rezultati izmerjeni v priznanem testnem centru, seznam testnih centrov pa se dopolnjuje periodično. Primerjave med centri so pokazale, da meritve v različnih centrih odstopajo do 2 % (relativno) pri monokristalnih in polikristalnih silicijevih celicah in naraste na okoli 5 % pri celicah iz amorfnega silicija. Večjih razlik pri modulih niso odkrili. Netočnosti pri meritvah izkoristkov tandemskih celic so večje, četudi je kratkostični tok mogoče točno določiti, saj sta faktor polnjenja in izkoristek funkciji relativnega spektralnega izžarevanja izvora svetlobe. Večina teh centrov je sposobna izvajati meritve celic brez zgoščevalcev sevanja ob upoštevanju standardnih poročil o razmerah na zemlji, ki so določene v tabelarični porazdelitvi spektralnega sevanja (IEC 904-3 ali ASTM E892-87). Nekateri so opremljeni za merjenje celic z zgoščevalci ob neposrednem normalnem referenčnem spektru (standard ASTM E891-87) ali pa za testiranje vesoljskih celic ob spektru zračna masa 0 (AM0).


Površina celice ali modula je pomemben parameter v določanju izkoristka. Pomembno je tudi, da se v testnem centru ta površina izmeri z natančnostjo, večjo od 0,5 %. Uporabljene površine naj bi ustrezale eni od naslednjih treh definicij (te definicije so začasne, saj so v teku razprave znotraj skupnosti za fotoelektrične celice in so lahko bile drugačne v preteklosti):

• Celotna površina. To je priporočena površina pri poročanju rezultatov in je enaka celotni načrtovani površini celice ali modula (površina, ki bi jo izmerili, če bi postavili napravo pred belo ozadje in izmerili senco, ki jo dela naprava). V primeru, da je celica pritrjena na steklo, bi bila celotna površina enaka površini steklene površine.

• Površina odprtine. Pri tej meritvi se testirana naprava zakrije, tako da je osvetljena površina manjša od celotne površine modula, vendar pa so vse bistvene komponente naprave, kot so npr. vodila, tipala in medsebojne povezave, znotraj zakritega področja. (Zakrivanje ni potrebno, če je možno dokazati, da se področja izven področja odprtine ne odzivajo na svetlobo oziroma ne usmerjajo svetlobe v aktivna področja.)

• Določena osvetlitvena površina. V tem primeru se celica ali modul zakrije, vendar so bistveni deli celice ali modula zunaj zakritega področja. Na primer: za celico z zgoščevalnikom naj bi vodila celice ležala izven področja, določenega za osvetlitev, in ta definicija bi bila najbolj primerna. (Ponovno: zakrivanje ni potrebno, če je možno dokazati, da se področja izven določene osvetlitvene površine ne odzivajo na svetlobo).

Izkoristki aktivnih površin niso upoštevani. Podani so izidi za celice in module izdelane iz različnih polprevodnikov in za različne podkategorije znotraj same vrste polprevodnika (npr. mono kristali, poli kristali in tanke plasti). Površina celice mora biti najmanj 0,1⋅10-3 m2 za celice brez zgoščevalnikov. Pri manjših površinah kot je 25⋅10-6 m2 so izidi zadovoljivi za celice z zgoščevalniki in vsaj približno za tandemske celice. Glede na to, da izkoristek celice in modula običajno pada z naraščajočo površino, so dodane podkategorije, ki so odvisne od površine. Meje podkategorij so 0,0001, 0,001 in 0,01 m2 za celice brez zgoščevalnikov, in 0,08 in 0,3 m2 za module ter 0,025⋅10-3, 0,2⋅10-3 in 2⋅10-3 m2 za celice z zgoščevalniki.

Preglednica 4.1 prikazuje nekatere rezultate za module. Preglednica 4.2 prikazuje zbrane izide za celice za uporabo na zemeljski površini pri splošnem spektru zračne mase 1,5 in preglednica 4.3 prikazuje izide za celice z zgoščevalniki.

Ekvivalentna shema realne sončne celice

Pri določevanju karakteristik fotoelementa smo predpostavili, da je sončna celica idealna kontaktna dioda, ki je brez notranjih izgub (slika 4.12). Realni fotoelementi imajo karakteristike, v katerih se kot eksponent pojavlja ulomek q U

A k T⋅⋅ ⋅

, kjer je A konstanta.

Velikokrat ima A vrednost malo manjšo od 2. To si razlagamo z rekombinacijo nosilcev nabojev tudi v področjih med 2 in 3 na sliki 4.11. Razen tega nismo upoštevali notranjega upora Rs niti Rp. Nadomestna shema je na sliki 4.15.

Vedno je vzporedni upor Rp mnogo večji od zaporednega notranjega upora Rs, tako da lahko zapišemo tok skozi bremenski upor R:


I I I e UR

q U I RA k T

p

s

= − −⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟ −

⋅ − ⋅⋅ ⋅l 0 1 .

Rs

If

R0UfRpUD

IdIlIzvor

konstantnegatoka

I

Slika 4.15: Ekvivalentna shema realne sončne celice

Preglednica 4.1: Potrjeni izkoristki zemeljskih modulov, izmerjeni pri splošnem spektru ZM1,5 (1000 W/m2) in pri temperaturi celice 25 °C.

Razvrstitev a Izkor.b ( %)

Površinac

(m2⋅10-4)Uoc (V)

Jsc (A) FPd ( %)

Center (datum)

Proizvajalec (Opis)

Si(monokristal) 21,6 862(po) 32,6 0,703 81,3 Sandia(2/94) HONDA/SunPower, 48 celic

CIGS 11,1 938(po) 25,9 0,637 64 NREL(6/88) ARCO, 55 celic CIGS (velik) 9,7 3883(po) 37,8 2,44 64 NREL(5/91) Siemens Solar CdTe e 8,1 838(po) 21,0 0,573 55 NREL(9/91) Photon Energy CdTe (velik) 7,8 6838(po) 92,0 0,969 60 NREL(10/93) Solar Cells, Inc. a-Si/a-SiGe/a-SiGe (tandem) f

10,2 903(po) 2,32 6,47 61,2 NREL(12/93) USSC

a CIGS = CuInGaSe2; a-Si = amorfni silicij/vodikova zlitina; b Izkor. = izkoristek c (po) = površina odprtine; d FP = faktor polnitve e Izhod se spreminja s razmerami pred meritvijo in od naklona. Izkoristek je vzet z določitvijo točke

največje moči f Stabilizirani rezultati


Preglednica 4.2: Potrjeni izkoristki celic za uporabo na zemeljski površini in podmodulov, izmerjeni pri splošnem spektru AM1,5 (1000 W/m2) pri 25 °C.

Razvrstitev a Izkor.b ( %)

Površinac

(m2⋅10-4)Uoc (V)

Jsc (A/m2)

FFd ( %)

Center (datum)

Proizvajalec (Opis)

Silicijeve celice Si(monokristal) 23,5 4,00 (po) 0,702 412 81,2 Sandia(3/94) UNSW PERL Si(moderirano po.) 21,6 45,7 (sp) 0,694 394 78,1 Sandia(4/93) UNSW PERL Si(polikristal) 17,8 1,0 (po) 0,628 362 78,5 Sandia(3/94) Georgia Tech Si(veliki polikrist.) 17,2 100(sp) 0,610 364 77,7 JZK(3/93) Sharp(meh.strukture) Si(ojačana plast) 14,9 1,02(po) 0,600 314 79,2 Sandia(12/88) AstroPower(Si-film) Si(velika tanka plast) 14,2 100(sp) 0,608 300 78,1 Mitsubishi(60μm na SiO2)III-V (celice) GaAs(monokristal) 25,1 3,91(sp) 1,022 282 87,1 Kopin,okno AlGaAs GaAs(osnova Ge) 24,3 4,00(sp) 1,035 276 85,3 ASEC, okno AlGaAs GaAs(tanka plast) 23,3 4,00(po) 1,011 276 83,8 Kopin,5μm CLEFT GaAs(podmodul) 21,0 16(sp) 4,04 66 80 Kopin (4 celice CLEFT) InP(monokristal) 21,9 4,02(sp) 0,878 293 85,4 Spire, epitaksijski Polikristalni tanka plast CdTe(celica) 15,8 1,05(po) 0,843 251 74,5 Južna Florida CSVT CdTe(podmodul 9,8 63,6(po) 6,62 22 69 Solar Cells Inc. CIGS(celica) 13,9 6,636(sp) 0,644 299 72,2 NREL,CIGS na steklu Cu(In,Ga) (S,Se) (podmodul)

12,7 69,1(po) 7,49 24,9 68,0 Siemens,površina prizme

Amorfni Silicij a-Si(celica)g 12,7 1,0(dop) 0,887 194 74,1 Sanyo a-Si(podmodul)g 12,0 100(po) 12,5 13 73,5 Sanyo Celice iz več elementov GaInP/GaAs 29,5 0,25(sp) 2,385 140 88,5 NREL(monolit) GaAlAs/GaAs 27,6 0,50(sp) 2,403 140 83,4 Varian(monolit) GaAs/CIS(tanka plast)

25,8 4,00(sp) - - - Kopin/Boeing(4 terminali)

a-Si/CIGS(tanka plast)g

14,6 2,40(po) - - - ARCO(4 terminali)

a-Si/a-SiGeg 12,5 0,26(po) 1,621 117 65,8 USSC/Cannon(monolit) a-Si/a-Si/a-SiGeg 12,4 0,27(sp) 2,541 70 70,0 ECD(monolit) a-Si/a-SiGe/a-SiGeg 12,4 1,0(dop) 2,289 79 68,5 Sharp(monolit)

a CIGS = CuInGaSe2; a-Si = amorfni silicij/vodikova zlitina; CIS = CuInSe2 b Izkor. = izkoristek c (po) = površina odprtine; (sp) = skupna odprtina; (dop) = določena osvetljena površina d FF = polnilni faktor e JZK = Japonsko zagotovilo kakovosti f Podatki so popravljeni iz originalnih izmerjenih izidov z rekalibracijo v Sandii v januarju 1991 g Nestabilni izidi


Preglednica 4.3: Izkoristki celic in modulov z zgoščevalniki, izmerjeni pri direktnem žarku spektra AM1,5 in pri temperaturi celice 25 °C.

Razvrstitev Izkor.a ( %)

Površinac

(m2⋅10-4) Gostota c

(št.sonc) Center(datum) Proizvajalec

(Opis) Posamične celice GaAs 27,5 0,126(dop) 205 Sandia(2/94) Si 26,5 0,150(dop) 149 Sandiad(5/87) Stanford Si(moderirana površina) 25,6 1,21(dop) 93 Sandia( /93) Sun Power Si(velik) 21,6 20,0(dop) 11 Sandiad( /90) UNSW Večspojne celice GaAs/GaSb 32,6 0,053(dop) 100 Sandiad(10/89) Boeing InP/GaInAs 31,8 0,063(dop) 50 NREL(8/90) NREL GaAs/GaInAsP 30,2 0,053(dop) 40 NREL(10/90) NREL GaInP/GaAs 30,2 0,103(dop) 180 Sandia(3/94) NREL GaAs/Si 29,6 0,317(dop) 350 Sandiad(9/88) Podmoduli GaAs/GaSb 25,1 41,4(po) 57 Sandia(3/93) Boeing Moduli Si 20,3 1875(po) 80 Sandia(4/89) Sandia a Izkor. = izkoristek b (po) = površina odprtine; (dop) = določena osvetljena površina c Eno sonce ustreza gostoti 1000 W/m2 d Podatki so popravljeni iz originalnih izmerjenih rezultatov z rekalibracijo v Sandii v januarju 1991

Preglednica 4.4: Širina prepovedanega pasu nekaterih polprevodnikov

Polprevodnik Wg

Germanij (Ge) 0,7

Baker indijev selenid (CuInSe) 1,0

Silicij (Si) 1,1

Indijev fosforid (InP) 1,3

Galijev arsenid (GaAs) 1,4

Kadmijev telurid (CdTe) 1,45

Aluminijev antimonid (AlSb) 1,6

Amorfni silicij (arSi) 1,75

Kadmijev selenid (CdSe) 1,8

Aluminijev arsenid (AlAs) 2,2

Galijev fosforid (GaP) 2,3

Kadmijev sulfid (CdS) 2,4


4.5.2 Tehnologija sončnih celic

Ko se sončno žarčenje absorbira v sončni celici, se na njenih koncih pojavi napetost praznega teka. Tako se lahko celica, obsijana s sončnimi žarki, uporabi kot izvor električne energije. Sončna celica nam torej predstavlja velik polprevodnik, ki spreminja vpadlo svetlobo v električni tok. Del fotonov, ki lahko sodeluje pri pretvorbi svetlobne v električno energijo, je tem večji, čim manjša je energija reže (prepovedanega pasu). Z zmanjšanjem Wg se povečuje s svetlobo ustvarjeni tok Il. V preglednici 4.4 so vrednosti širine prepovedanega pasu za nekatere polprevodnike. Z zmanjšanjem Wg se istočasno zmanjšuje tudi napetost praznega teka, tako je izbor najugodnejšega materiala kompromis med zahtevo za velik tok in zahtevo za veliko napetostjo U.

Kot osnovni material za izgradnjo sončnih celic se največkrat uporablja silicij. Za čistočo materiala celic so zahteve podobno visoke kot pri proizvodnji čipov.

Sprednja stran Zadnja kontaktna stran

Slika 4.16: Prikaz monokristalne celice (0,1 m x 0,1 m), ARCO Solar (danes Siemens Solar), Isc = 3,3 A, Pm = 1,47 W.

Zgradba sončne celice

Silicijeva sončna celica (slika 4.17) je p - n spoj, ki se dobi tako, da se na površini silicija p tipa izločijo primesi (npr. fosforja). Tako na tankem površinskem sloju nastane področje n tipa polprevodnika. Da bi se zbrali naboji, nastali z absorpcijo fotonov iz sončnega sevanja, se nahaja na sprednji površini rešetka, zadnja stran pa je pokrita s kovinskim kontaktom. Rešetkasti kontakt na sprednji strani je narejen tako, da ne pokriva več kot 5 % površine. S tako konstrukcijo rešetkasti kontakt ne vpliva bistveno na absorpcijo sončnega sevanja. Da preprečimo refleksijo in povečamo izkoristek celice, je prednja površina celice pokrita z antirefleksijskim slojem.

Značilnosti sončnih celic

Sončna celica je zgrajena kot velika površinska dioda. V popolni temi je I - U karakteristika enaka diodni karakteristiki. V prevodni smeri nastopi tudi za diode tipičen napetostni prag 0,6 V. Pri diodah je s svetlobo proizveden dodatni zapiralni tok nezaželen. Zato so diode vgrajene v za svetlobo nepropustno ohišje.

Drugače pa so grajene sončne celice. Te imajo svetlobi izpostavljeno veliko površino za zaščitno stekleno ploščo v p - n spoju.


≈0,2 μm

≈0,3 mm

n - področje

p - področje

h⋅υsončna svetloba

- prednji kontakt vobliki rešetke

+ zadnji kovinskikontakt

tokovni odvod

antirefleksna plast

n - dotirana

p - podloga

zadnja stran kontakta

_

+

Slika 4.17: Shematični prikaz silicijeve sončne celice

Največji tok znaša okoli 90 % toka kratkega stika. Če izpostavimo celico sončni svetlobi, nastane med kontakti izmerjena napetost 0,6 V (pri 1 kW/m2 in 25 °C). Že pri slabem sevanju je napetost praznega teka blizu nazivni vrednosti.

Temperaturni koeficient toka kratkega stika je +0,07 % / °C (kristalne celice). Temperaturni koeficient napetosti praznega teka znaša -0,40 % / °C (kristalne celice).

Prepustno območje diodne karakteritike sončne celice postane nosilec, če ponoči pri baterijskem pogonu teče povratni tok iz akumulatorja v sončne module. Temu nezaželenemu praznilnemu toku se izognemo s pomočjo vgraditve zaporne diode med sončnim modulom in baterijo.

Monokristalne sončne celice

Na začetku silicijevega obdobja (1955) so bile sončne celice proizvajane samo iz enokristalnega materiala (slika 4.18). Gre za popolnoma čist material, iz katerega so lahko narejene tudi diode, tranzistorji in čipi. Ker je pomembna le sprejemna površina sončnih celic in ne njihova debelina, se izdelovalci trudijo izdelati čim tanjše silicijeve ploščice. Te sončne celice so proizvedene s tehnologijo vlečenja monokristalov. Debelina enokristalne ploščice je od 0,3⋅10-3 m do 0,5⋅10-3 m. Pri tem postopku gre do ≈50 % tega materiala v izgubo, zato je tako draga tehnika v poštev samo za posebne porabnike (z njimi so npr. opremljeni umetni sateliti). Monokristalna tehnika ima še danes največji tržni delež zaradi visokega izkoristka.


Slika 4.18: Struktura mono- in polikristalnega silicija

Sončne celice iz amorfnega silicija

Amorfni silicij se razlikuje od kristalnega v tem, da silicijevi atomi niso razporejeni v enakih, natančnih razdaljah, pa tudi koti med vezmi niso enaki. Tako razdalje kot koti so slučajne (slika 4.19). Ta slučajnost ima velik vpliv na lastnosti materiala. Energija reže je okoli 1,75 eV, gostota stanj znotraj reže je velika zaradi nepopolne vezave. Leta 1969 so ugotovili, da dodatek vodika izniči nepopolno vezavo in zmanjša število stanj v območju reže v toliki meri, da je možno narediti polprevodnik n oziroma p z dodajanjem fosforja ali bora. Vmesna plast amorfnega silicija med p in n polprevodnikom močno izboljša prehodne lastnosti (slika 4.20).

Slika 4.19: Kristalni spoj amorfnega silicija

Razen manjšega začetnega izkoristka imajo takšne celice v primerjavi z monokristalnimi še to slabo lastnost, da jim izkoristek po prvi osvetlitvi pade za dodatnih 30 %, v odvisnosti od jakosti in trajajanja osvetlitve (Stoebler-Wronski učinek - absorbcija svetlobe v vmesni plasti). Po večletnih raziskavah se je izkazalo, da se izkoristek kasneje stabilizira.

V proizvodnji amorfnih celic prednjačijo Japonci, ki so razvili tehnologijo nanašanja silicijevih plasti na substrat iz silana (SiH4) v plazmi. Temperatura nanašanja je v primerjavi s sintezo kristalnega silicija, ki zahteva temperature od 1000 do 1500 °C,


razmeroma nizka (300 °C). Posledica precej preprostega procesa, ki med drugim omogoča izdelavo velikih ploskev, je seveda tudi ugodnejša cena. Japonci so z amorfnimi celicami velikosti 0,01 m2 povečali učinkovitost pretvorbe energije za več kot 10 %.

notranjost

zadnji kovinski kontakt

sprednji stik (prevodnik, prepusten za svetlobo)

steklena podlaga

hidriranamorfnisilicij

n

p+

Slika 4.20: Zgradba sončne celice iz amorfnega silicija p - i - n

Sončne celice pa prodirajo tudi v gradbeništvo. Razkroj silana v plazmi namreč omogoča nanašanje amorfnih silicijevih plasti na strešnike in s tem preprosto gradnjo sončnih streh. Tako postajajo dostopne nove velike površine za pridobivanje električne energije.

Polikristalne sončne celice

Že nekaj let razvijajo novo metodo proizvodnje napetostnih zbiralnih plošč. Osnova je še vedno silicij, vendar v zelo tankih plasteh in na različnih podlagah, največ na steklu, pa tudi na polimerih ali upogljivih kovinskih folijah.

Posebna umetnost je v tem, da silicij v 0,4 m × 0,4 m veliki kokilni litini tako ohladijo, da nastanejo velika nemotena kristalna območja. Večja kot so ta območja, toliko manj so motene kristalne meje prostih nosilcev. S tem načinom pridemo blizu lastnostim monokristalnega silicija (slika 4.21).

monokristal polikristal

jedrne meje

Slika 4.21: Struktura mono- in polikristalnega silicija


S standardnim postopkom Wacker-Chemitronic velja danes, da je stopnja izkoristka polikristalnih sončnih celic samo 10 do 20 % nižja od ustreznih monokristalnih celic, stanejo pa samo polovico toliko kot primerljive monokristalne celice.

Tankoplastne sončne celice

Amorfne in polikristalne sončne celice sodijo v skupino tako imenovanih tankoplastnih procesov proizvodnje. Današnji trendi razvoja kažejo, da bosta razen teh dveh v naslednjih letih komercialno uspešni še spojini baker-indijev-selenid (CIS) in kadmijev telurid. Vse te celice imajo aktivne plasti debeline od 1 do 10 mikronov, proizvodni postopki pa omogočajo izdelavo velikih plošč brez zapletenih povezav posameznih kristalov. To je tudi eden od glavnih razlogov, da pričakujejo občutno znižanje cen.

Večplastne sončne celice

Fotoni svetlobe imajo različne energije, za tvorjenje para vrzel - elektron pa potrebujemo za določen polprevodnik energijo, ki je le malenkost večja od energije reže. Foton s premajhno energijo odda svoj energetski naboj brez nastanka novih nosilcev - njegova energija se vsa pretvori v toploto. Foton s preveliko energijo sicer ustvari nov par, višek energije pa zopet odda v obliki toplote. Tehnologija tankih plasti omogoča, da sestavimo sončno celico iz več plasti različnih polprevodnikov in ujamemo v vsaki plasti le ustrezne fotone. Na sliki 4.22 je shematično prikazana zgradba dvoplastne sončne celice (tandem) in odvisnost gostote pretoka fotonov od energije fotonov.

0 43211⋅1017

λ

dj/dλ

5⋅1017

4⋅1017

3⋅1017

3⋅1017

2⋅1017

energija fotona (eV)

n

p

n

p

spodnja celica

zgornja celica

Slika 4.22: Zgradba in spektralna porazdelitev dvoplastne sončne celice

Primerjava kristalnega in amorfnega silicija

Pred petindvajsetimi leti so se začeli v industrijski proizvodnji uporabljati elektronski elementi iz amorfnega silicija, ki so relativno novi polprevodniški elementi.

V primerjavi s kristalnim silicijem ima amorfni silicij določene prednosti: - nizko ceno surovine, - ceneni tehnološki proces izdelave elektronskih elementov, - raznovrstne nosilne podlage (kovina, steklo, plastika), - velike možne površine elektronskih elementov.


Zato se je uporaba amorfnega silicija najmočneje razvila za tiste polprevodniške elemente, ki se jih s kristalnim silicijem sploh ni dalo izdelati, ali pa je bila cena izdelkov iz kristalnega silicija previsoka.

Sem sodi predvsem ceneni proces sončnih celic iz amorfnega silicija na velikih steklenih podlagah ter izdelava ploščatih tekočekristalnih zaslonov, pri katerih je integrirano vezje iz amorfnega silicija za nastavljanje tekočekristalnih elementov nanešeno neposredno na zaslon.

Kljub temu da imata kristalni in amorfni silicij mnogo podobnih lastnosti, so med njima tudi velike razlike. Te razlike povzroča neurejena atomska zgradba amorfnega silicija, ki vnaša velike gostote lokaliziranih energijskih nivojev, na katerih so ujeti nosilci nabojev. Ta lokalizirana stanja tudi močno zmanjšujejo difuzijske dolžine ter življenjske čase prostih elektronov in vrzeli. Kljub enakim osnovnim enačbam, ki opisujejo lastnosti amorfnega in kristalnega silicija so razmere v zgradbi amorfnega silicija bolj zapletene.

Pomembna je tudi razlika pri učinkovitosti pretvorbe sončne energije v električno energijo, ki je pri sončnih celicah iz amorfnega silicija nižja kot pri celicah iz kristalnega silicija. Vendar zaradi nižje cene tehnologije izdelave in enostavnosti sončnih celic iz amorfnega silicija še zmeraj vlagajo velika sredstva za izboljšanje tehnologije in izboljšavo njihovih karakteristik.

4.5.3 Možnost uporabe sončnih celic

Prvi poskusi uporabe

Po energetski krizi v 70 letih in po znanih podatkih o zalogah konvencionalnih izvorov energije je izkoriščanje sončne energije v 80 letih zmeraj bolj aktualno. Med različnimi možnostmi uporabe sončne energije je ena od pomembnejših neposredno pretvarjanje sončne energije v električno s pomočjo sončnih celic.

Že leta 1938 je Becquerel ugotovil, da se lahko med dvema elektrodama v elektrolitu pojavi napetost, če je ena od elektrod izpostavljena sončnemu sevanju. Okoli 40 let kasneje sta Adams in Day z uporabo selena, ki sta ga izpostavila sončnemu sevanju, dokazala, da se lahko fotonapetost pojavi tudi v trdnem materialu. Z iznajdbo tranzistorja in z urejanjem tehnike dopiranja pa so z izkoriščanjem lastnosti p - n spoja v siliciju izdelali prve foto celice.

Čeprav se je uporaba sončnih celic za izvore majhnih moči na težko dostopnih mestih pokazala kot zelo uspešna, se sončne celice niso obdržale zaradi visoke cene. Vendar se razvoj sončnih celic ni končal zaradi uporabe le-teh v vesoljski tehniki za električni pogon satelitov, kjer cena ni tako pomembna. Tako so sončne celice praktično uporabljali le v vesoljski tehniki do sredine 70 let, ko so v času energetske krize spet postale aktualne za širšo uporabo.


Prednosti in slabosti sončnih celic

Izkoriščanje sončne energije in uporaba sončnih celic ima določene prednosti pred konvencionalnimi in alternativnimi izvori energije: • Sončna energija je brezplačna, neizčrpna, pač toliko, kolikor je neizčrpno Sonce, in pri

spreminjanju v električno energijo ne uničuje okolja, ne povzroča eksplozij, ne povzroča sevanja in sploh je okolje manj obremenjeno kot pri uporabi drugih izvorov energije.

• Modularna izgradnja komponent ponuja elastičnost pri prilagajanju na različne porabnike in istočasno omogoča masovno proizvodnjo.

• Inštaliranje in rokovanje s sončnimi celicami je enostavno tako, da so dostopne tudi deželam v tretjem svetu. Pri energijski pretvorbi ni gibajočih se delov, kemičnih reakcij in ne potrebujemo hladilnih naprav, zato se lahko uporabljajo v vsakem okolju.

• Življenjska doba sončnih celic je več kot 20 let.

Upoštevati moramo tudi slabosti sončnih celic, ki še zdaleč niso zanemarljive:

• Še vedno visoka cena, ki kljub visoki in dolgi življenjski dobi omogoča rentabilnost le v posebnih pogojih delovanja.

• Sončna energija je energija majhnih moči in centrale večjih zmogljivosti terjajo velike površine pokrite s sončnimi celicami.

• Nizek je čas izkoriščenosti električnih central iz sončnih celic. Na primer v 12 mesecih se izgubi polovico časa ponoči in četrtino podnevi zaradi neugodnih vremenskih pogojev. Tako bi morali električno energijo, pridobljeno v elektrarnah na sončne celice, nadomestiti z energijo iz omrežja. To pomeni, da bi bila za vsako sončno električno centralo potrebna še rezervna konvencionalna električna centrala, kar bi ceno tako pridobljene energije bistveno povečalo.

• Uporaba akumulatorjev v sklopu s sončnimi celicami. Pri akumulatorjih so težave z življenjsko dobo, ki je odvisna od pogostosti praznjenja in polnjenja. Pravo vrednost bodo omogočili šele akumulatorji z uporabo novih tehnologij, ki bodo lahki in ceneni.

Oskrbovanje manjših porabnikov

Uporaba sončnih celic se hitro širi, vendar še zdaleč ne izrabljamo vseh sončnih zmogljivosti. O izrabi bomo lahko govorili, ko bodo zgrajene centrale z močjo 1000 MW in več. Danes se sončne celice najpogosteje še zmeraj uporabljajo v posebnih pogojih obratovanja, kjer pride do izraza njihova enostanovnost in cena, ki je prav zaradi posebnih pogojev konkurenčna. Uporaba na področju komunikacij je še posebej primerna, ker so potrebe po energiji male in enakomerne. Te naprave so pogosto na težko dostopnih območjih, kjer je otežkočeno oskrbovanje z gorivom za agregat, potrebna pa je tudi posadka za rokovanje. Z uporabo sončnih celic teh težav ni, nižja pa je tudi cena tako pridobljene električne energije.

Sončne celice so primerne tudi za uporabo v prometni signalizaciji, za naprave moči do 10 kW. To so svetilniki in boje v pomorskem prometu, svetilniki v gorah, kjer so problemi z navigacijo za letala. Uporabljajo se tudi za razsvetljavo cest, tunelov, železniških prehodov in napajanje obcestnih telefonov. Tudi tu je problem oddaljenost do najbližje mreže, zato se z uporabo sončnih celic znižajo stroški naložb in cena energije.


Sončne celice so primerne tudi za uporabo na jadrnicah, taborjenju in v gorskih hišicah, kjer lahko manjše potrebe povsem zadovoljimo. S sončnimi celicami oskrbujejo tudi družinske hiše. V ZDA so s 7,3 kW zadostili 80 % potreb po elektriki v hiši s 172 m2 bivalne površine. Da so dobili tako moč, so na južno stran strehe postavili sončne celice površine 90 m2 pod kotom 45°. Ne poročajo pa o velikosti akumulatorjev, da so lahko zadostili potrebam po moči. Dobre izide so dosegli tudi v srednji Evropi. S sončnimi celicami površine 50 m2 so v enem letu proizvedli 5000 kWh, kar je bilo dovolj za enodružinsko hišo, višek energije pa so oddali v omrežje.

Zelo široko področje uporabe za sončne celice se odpira v deželah v razvoju. To so večinoma dežele, kjer je letno možno pridobiti več kot 2300 kWh/m2, kar je dvakrat več kot v srednji Evropi. Zelo je razširjena tako imenovana sončna vodna tehnika. To so črpalke z vodo, ki jih poganjajo z električno energijo, pridobljeno s sončnimi celicami. Z njimi pridobivajo pitno vodo in vodo za namakanje (brez shranjevanja energije). Uporaba črpalk je življenjskega pomena v deželah z nerazvito elektrifikacijo.

S sončnimi celicami so že popolnoma elektrificirali oddaljene vasi, za katere pomeni TV in radio, ki ga poganja električna energija sončnih celic, tudi edini stik s svetom.

Izgradnje večjih sistemov sončnih celic - elektrarn

V svetu že nekaj let delujejo tudi večji neodvisni sistemi za pridobivanje električne energije s silicijevimi celicami.

V ZRN so na otoku Pellworm v Severnem morju postavili sistem s skoraj 18.000 moduli. Sistem pokriva 2,8 ha in proizvaja ob sončnem vremenu 300 kW. Z energijo oskrbuje bližnje zdravilišče. Ker je glavna sezona zdravilišča poleti in je pozimi zaprto, je zdravilišče pravšnji odjemalec električne energije. Za nočno oskrbo in dneve s premalo sončnega sevanja so na voljo akumulatorji z zmogljivostjo 6000 Ah. Akumulatorji lahko oskrbujejo zdravilišče tudi pet brezsončnih dni. Zdravilišče pa je za vsak primer priključeno tudi na omrežje.

Podoben sistem obstaja tudi v ZDA. S 100 kW sončnim generatorjem, ki stoji na področju narodnega parka, zadovoljujejo vse potrebe parka po energiji. Za brezsončne dneve in nočno oskrbo prav tako uporabljajo akumulatorje z zmogljivostjo 3000 Ah, kar zadostuje za oskrbo do 3 dni, odvisno od bremena. Porabniki so priključeni preko elektronske zaščite, ki jih odklopi pri 60 % izpraznitvi akumulatorjev. Obrat je sestavljen iz četrt milijona sončnih celic v 4726 modulih, ki imajo površino 1712 m2. Za rezervo pa imajo tudi dieselski generator.

V ZDA poskusno gradijo tudi sončne centrale. Od leta 1978 so jih zgradili pet. Tri neposredno proizvajajo električno energijo, dve pa obratujeta na osnovi izkoriščanja toplote.

Vse tri elektrarne, ki neposredno pretvarjajo sončno energijo v električno so zgrajene v Kaliforniji na puščavskih planotah. Manjši dve centralni imata moč 1 MW oziroma 1,2 MW, največja pa ima moč 6,5 MW in proizvede letno 14 milijonov kWh električne energije. Centrali, ki obratujeta na osnovi izkoriščanja toplote, sta bistveno večji. Največja je centrala v Daggettu. Naprave pokrivajo 70 ha puščave Mojava. To je 120.000 zrcal, vsako 2.5 m široko in 50 m dolgo, ki usmerjajo sončne žarke na centralni cevni kotel iz počrnjenega kromovega jekla. Segreto olje v menjalniku segreva vodo, vodna para pa poganja običajne turbine. Skupna moč te centrale je 34 MW, kar zadošča za več kot 25.000 gospodinjstev.


V drugi sončni toplotni centrali usmerja sončne žarke 1800 zrcal, vsako s površino 40 m2, na 100 m visok centralni stolp. Tam se voda neposredno spreminja v paro, ki poganja turbine. Maksimalna moč centrale je 10 MW.

Možnosti uporabe v Mariboru

V različnih klimatskih razmerah in letnih časih bomo sončno energijo izkoriščali v večji meri šele, ko bomo rešili probleme ekonomsko upravičene konverzije in dolgoročnega akumuliranja energije. Ekonomična sončna naprava mora imeti večjo življenjsko dobo, kot je čas amortizacije naprave. Z izkoriščanjem energije Sonca bomo dobili pomemben energetski izvor šele takrat, ko bo ekonomsko konkurenčen drugim energetskim izvorom. Zaradi nenehnega naraščanja cen konvencionalnh goriv (vzroki: ekologija, jedrsko gorivo ...) je zelo verjetno, da se bo to zgodilo že v bližnji prihodnosti.

Za mesto Maribor smo izdelali študijo, v kateri smo v prvem koraku analizirali potencialno oziroma možno energijo Sonca na površinah streh v mestu. Strehe so namreč po mnenju mnogih tista lokacija za sončne generatorje, ki jim bo še dodatno znižala investicijske stroške, pa tudi okoljevarstveniki se bodo verjetno strinjali s takšno postavitvijo.

Izračunana energija je seveda samo neka možna vrednost, saj na dejansko vrednost sprejete energije močno vplivajo med drugim tudi mikroklimatske razmere, ki se časovno in krajevno spreminjajo in jih lahko napovedujemo vnaprej samo z določeno mero zaupanja.

Izračun povprečnega mesečnega sevanja na nagnjenih površinah

Če želimo izračunati povprečno mesečno sevanje na nagnjeni površini, moramo najprej dobiti podatke o mesečnem povprečnem sevanju na horizontalni površini. Podatki za Slovenijo so dostopni v vsaki lokalni hidrometerološki postaji oz. v Hidrometerološkem zavodu Slovenije v Ljubljani.

Za Maribor imamo dostopne podatke tako za energijo sevanja na horizontalni površini, kot tudi podatke o obsevanosti. Tako smo uporabili kar podatke o energiji sevanja za dosego točnejše vrednosti končnega izračuna.

Metodi, s katerima je možno oceniti mesečno povprečno energijo sevanja, se imenujeta po Liu & Jordanu in Pageu. Metodi sta prirejeni za izračun sevanja nagnjenih površin in tistih, ki so orientirane proti vzhodu oz. zahodu.

Ocenitev povprečnega dnevnega sevanja za vsak mesec na površinah, orientiranih proti jugu, v vodoravni ravnini

Osnovna formula, iz katere izhajajo vsi naslednji izračuni je izračun (integracija) ekstraterestrialnega sevanja na vodoravni površini.

Dobimo jo tako, da integriramo po času solarno konstanto, pomnoženo z orbitalnim faktorjem ekscentričnosti in sinusom kota vpadlih sončnih žarkov. Matematični zapis je sledeč:

H E e t t dttot ot

t t

o

o

= ⋅ ⋅+

∫Δ

( ) sin ( )α ,

kjer je:


E0 - solarna konstanta

( )sinα t - vpadli kot sončnih žarkov, kot je prikazan na naslednji sliki

Δt - časovni interval, ki nas zanima e(t) - orbitalni faktor ekscentričnosti, ki nam pove, koliko se spreminja

razdalja od Zemlje do Sonca skozi vse leto

e tn t

( ) , cos( )

= + ⋅⎡⎣⎢

⎤⎦⎥

1 0 0342

365π

.

V

Sonce

HH

α

as

γ

J

Vodoravna površina

Nagnjena površina

S

Z

H

Normala nanagnjeno površino

Slika 4.23: Opazovana nagnjena površina s pripadajočimi koti

Brez težav lahko sedaj izračunamo tudi ekstraterestrialno sevanje na vodoravni površini za dan n v letu, ki izhaja iz enačbe in ki je definirano z izrazom:

( ) ( , cos( ))H En

n0 024

1 0 033360365

= + ⋅ ⋅π

(cos cos sin ( ) sin sin ))ϕ δ ωω π

ϕ δss+2

360,

kjer je:

ϕ - zemljepisna širina

δ - kot deklinacije Sonca ωs - časovni kot zahoda Sonca n - številka dneva z začetkom štetja od 1. januarja naprej.

Povprečje mesečnega ekstraterestrialnega sevanja za vodoravno površino izračunamo s formulo:

Hm m

Ho on m

mn=

− =∑

1

2 1 1

2

( )( ) ,

m1 in m2 sta začetek in konec meseca.


Faktor prepustnosti sevanja atmosfere izračunamo:

K HHT

o

= ,

kjer sta

H - mesečni povpreček sevanja za en dan na horizontalni površini H o - povprečje mesečnega ekstraterestrialnega sevanja za en dan na vodoravni površini

Na faktor KT vplivajo še mikroklimatske razmere (onesnaženost, vlaga, oblačnost). Na poti do zemeljske površine se pri neposredni komponenti izgubi od 25 do 50 % sončne energije zaradi razpršitve in absorbcije.

Razpršeno (difuzno) sevanje ima pomemben delež v končni skupni energiji Sonca, ki prispe do površine sprejemnika. Če imamo podatek dnevne vrednosti mesečnega povprečja globalnega sevanja H , lahko izračunamo delež difuznega sevanja za Slovenijo po modificirani Liu & Jordanovi metodi:

H K K K Hd T T T= − + −( , , , , )1 6 4 17 5 29 2 862 3 .

Pri izračunu skupne vpadle energije moramo poznati celotno sončno energijo, ki vpada na površino sončnega sprejemnika. Idealna lega takšnega sprejemnika bi bila takšna, da bi zajeli čim več razpoložljive energije. Govorimo seveda o nepremičnih sončnih sprejemnikih, saj je pri premičnih (obstajajo različne variante sledenja maksimalnemu sončnemu sevanju) to povsem drug problem. Prvi pogoj, da bo površina sprejemnika sprejemala čim večjo količino sevanja, je, da je le-ta obrnjena proti jugu. Če bi želeli postaviti sprejemnik optimalno, bi morali poiskati idealen kot s (kot med vodoravnico in površino sprejemnika).

Površine streh seveda niso postavljene optimalno. Lego sprejemnika bi sicer lahko izboljšali z dodatnimi konstrukcijami, ki podražijo postavitev fotonapetostnega sistema. Našo študijo smo usmerili na obstoječe strešne površine.

Ocenitev povprečnega dnevnega sevanja na proti jugu orientiranih površinah

Povprečno globalno dnevno sevanje za nagnjeno površino in orientirano proti jugu dobimo po izrazu: H RH RK HT T o= = ,

kjer je R definiran kot razmerje med dnevnim povprečkom sevanja na nagnjeno površino in enakim povprečkom na vodoravni ravnini za vsak mesec.

Za izračun faktorja R moramo poznati neposredne, difuzne in odbite komponente sevanja, iz katerih je tudi sestavljen. Pod predpostavko izotropnega sevanja za difuzno komponento zapišemo izraz:

RHH

RHH

s sdb

d= − + + + −( ) ( cos ) ( cos )1 1 12

1 12

ρ ,

kjer je:


R b - je razmerje med neposrednim povprečnim sevanjem na nagnjeno površino in istim sevanjem na vodoravno površino za posamezni mesec - dobimo ga iz geometrije

s - je nagib površine od vodoravne osi ρ - refleksijski faktor tal (0,2 za poletno in 0,5 - 0,7 za zimsko obdobje)

Dnevno vrednost faktorja R b za površine orientirane proti jugu lahko izračunamo s pomočjo izraza, ki ga predlagata Liu & Jordan :

R RRb

b

b= 1

2

R s sb s s1 180= − ′ + ′ −cos( ) cos sin sin( ) sinϕ δ ω

πω ϕ δ

Rb s s2 180= +cos cos sin sin sinϕ δ ω

πω ϕ δ

ωS je časovni kot zahoda Sonca za vodoravno površino, ′ωS pa je časovni kot zahoda Sonca za nagnjeno površino, δ kot deklinacije Sonca in s nagib površine.

Z analizo prejšnjega izraza pridemo do zaključka, da kot zahoda Sonca na nagnjeni površini nima enakih vrednosti v zimskem in poletnem času. To pomeni, da so koti različni in s tem pride do delitve izraza na dva dela: ′ =ω ωs s za zimski čas in

′ = − −ω ϕ δs tg s tgarccos( ( ) ) za poletni čas.

Zimski čas je mišljen za mesece januar, februar, marec, oktober, november in december.

Ocenitev povprečnega dnevnega sevanja na vzhodno oziroma zahodno orientiranih površinah

Liu&Jordanovo metodo, ki upošteva faktor R b , lahko uporabljamo za izračun na površinah, ki niso orientirane neposredno proti ekvatorju (jugu) in so usmerjene od juga do vzhoda oz. zahoda, kar pomeni, da so to maksimalne meje, ki jih še upošteva faktor R b . Faktor R b dobimo podobno kot v prejšnem primeru, le da je opazovana površina orientirana od juga in dobi faktor R b nove razsežnosti:

R R R R R R Rb b b b5 b b b8= − + + −( ) /3 4 6 7

R sb ss sr3 180= −(cos sin sin ) ( )δ ϕ

πω ω

R sb ss sr4 180= −(sin cos sin cos ) ( )δ ϕ γ

πω ω

R sb5 ss sr= −(cos cos cos )(sin sin )ϕ δ ω ω

R sb ss sr6 = −(cos cos sin sin )(sin sin )δ γ ϕ ω ω

R sb ss sr7 = −(cos sin sin )(cos cos )δ γ ω ω

Rb8 s s= +2180

(cos cos sin sin sin )ϕ δ ωπ

ω ϕ δ ,


kjer so: γ - kot odmika strehe od smeri juga, in sicer zahodno je pozitivni

odmik, vzhodno negativni ω ωss sr, - urna kota sončnega vzhoda in zahoda

Če je γ < 0, potem velja:

ω ωsr sAB A B

A= −

+ − ++

min( ,arccos( ))2 2

2

11

ω ωss sAB A B

A=

− − ++

min( ,arccos( ))2 2

2

11

Če pa je γ > 0, potem velja:

ω ωsr sAB A B

A= −

− − ++

min( ,arccos( ))2 2

2

11

ω ωss sAB A B

A=

+ − ++

min( ,arccos( ))2 2

2

11

As

= +cos

sin tansintan

ϕγ

ϕγ

Bs

= −tan (costan

sinsin tan

)δϕγ

ϕγ

Izidi izračunov

Zbiranje podatkov o strešnih površinah je predstavljalo najzamudnejši del naše študije. Obdelali smo približno 16.000 objektov, pri tem smo se omejili na mestne meje. Primestja bi namreč za relativno kratek čas analize predstavljala prevelik zalogaj. Pri obdelavi je bilo nemalo težav zaradi tipiziranja strešnih konstrukcij, saj imajo določene stavbe tudi po 4 strešne odseke pod popolnoma različnimi nakloni in orientacijami, kot je to na sliki 4.24.

30°

0°

30° 10° 30°

20°

0°

50° 45° 0°

Slika 4.24:Posebni primeri slemen streh


Zaradi količine podatkov so le-ti zaradi ustreznejšega prikaza združeni po stopinjah. Tako je odmik od juga A razdeljen na 18 razredov po 10° v pozitivni smeri (premik proti zahodu) in na 5 razredov po 10° v negativni smeri (premik proti vzhodu).

V prvem razredu od 0° do 10° so seštete energije posameznih hiš (EH, EHA), 8 % energije posameznih hiš (EH8 %, EHA8%), vsote površin posameznih hiš (M2,AM2), povprečje razmerij (EHA/AM2, EHA8%/AM2), razmerje vsot (EHA/AM2) in število hiš v posameznem področju. Enako velja za ostale razrede.

Tudi nagibi streh so razdeljeni na 6 tipičnih naklonov (0°, 10°, 20°, 30°, 45° in 50°) in za posamezne naklone je izračunano razmerje vsot EHA/AM2. Nastalo je več manjših preglednic, iz katerih dobimo prikazane diagrame. Energija je podana v MWh, odmiki pa so podani v stopinjah.

Slika 4.25: Razmerje (energija streh A/površina streh A) v odvisnosti od zamika streh A iz smeri juga (zahod)

Iz diagrama na sliki 4.25 vidimo kako se spreminja vpadla energija na površino v odvisnosti od zamika streh A iz smeri juga. Vidimo, da razmerje vsot EHA/AM2 v zahodni smeri konstantno pada, vmes pa se pojavijo povišane vrednosti, kar pomeni, da imamo v tem področju bolj ugodno (manjšo) vrednost nagiba strehe. Prav tako tudi razmerje srednjih vrednosti konstantno pada, le pri zamiku za 150° razmerje naraste, kar je posledica manjše vrednosti nagiba strehe. Podobno je tudi v vzhodni smeri. Če pogledamo odvisnost razmerja vsot EHA/AM2 od nagiba streh na sliki 4.26 vidimo, da imamo pri manjšem nagibu strehe večjo energijo oziroma večje razmerje vsot EHA/AM2. Le pri nagibu strehe za 20° dobimo povečano vrednost razmerja EHA/AM2, kar pomeni, da imamo pri tem nagibu bolj ugodno (manjšo) vrednost zamika streh A iz smeri juga.

V vseh diagramih so zajete samo površine streh stanovanjskih stavb. Če upoštevamo še površine industrijskih poslopij (tovarne, skladišča itd), ki imajo večinoma ravne strehe,


dobimo naslednje ugotovitve: Pri upoštevanju ravnih streh (industrijska poslopja) se bistveno poveča vrednost energij hiš (EH, EHA) v razredu od 0° do 10°. Tudi razmerje vsot EHA/AM2 v odvisnosti od nagiba streh dobi pri nagibu 0° večjo vrednost. Razmerje vsot EHA/AM2 v odvisnosti od zamika streh A iz smeri juga pa ima v razredu od 0° do 10° manjšo vrednost.

Slika 4.26: Razmerje vsot (energije streh A/površina streh A) v odvisnosti od zamika streh A iz smeri jug

sončni izvor 1000 W/m2

Reflektiran 3 %

Fotoni s premajhnoenergijo 22 %

Fotonska presežnaenergija 32 %

Zaporna izguba 17 %

Rekombinacija in ostaleelektrične izgube 6-13 %

13-20 %Električne zmožnosti

Slika 4.27: Energijska bilanca monokristalne silicijeve sončne celice


S seštevkom energije po posameznih mesecih dobimo skupno letno vpadlo potencialno sončno energijo (EH, EH 8 %). Upoštevali smo tudi energije ravnih streh (industrijska poslopja) in dobili vso letno energijo (VSA EH, VSA EH 8 %). To skupno letno sončno energijo na strešnih površinah mesta Maribor lahko primerjamo z industrijskim odjemom 1 - 35 kV, gospodinjskim odjemom in porabo vseh energentov za Maribor v letih 1990, 1991 in 1992 (načrt porabe). Za primerjavo z električno energijo smo upoštevali skupni 8 % izkoristek sončnih generatorjev, kar je realno dosegljivo v praksi ob uporabi pretvornikov novih tehnologij in sončnih celic iz amorfnega silicija. Za primerjavo z vsemi porabljeni energenti je prikazana vsa vpadla potencialna sončna energija, saj je večina energentov namenjena ogrevanju oz. takšni izrabi, ki ni neposredno povezana z električno energijo. Med vse energente štejemo: električno energijo, naftne derivate, plin, premog in ostalo. Primerjava podatkov je prikazana v diagramu 4.28.

0,08⋅EH

Slika 4.28: Primerjava 8 % vpadle sončne energije z gospodinjskim in industrijskim odjemom (1 - 35 kV)

Na sliki 4.29 je prikaz primernosti posameznih streh hiš za uporabo sončne energije. Glede na razmerje EH/M2 (MWh/m2) dobimo tri razrede.


LEGENDA:

1,3 - 0,85 (MWh/m2) ; Ugodno

0,85 - 0,65 (MWh/m2) ; Zadovoljivo

0,65 - > 0 (MWh/m2) ; Neprimerno

Slika 4.29: Prikaz treh razredov streh hiš mesta Maribor po primernosti uporabe sončne energije


Možnosti uporabe v prihodnosti

Še večja razsežnost uporabe sončnih celic pa se obeta v prihodnosti. V svetu je aktualna ideja, da bi Saharo, ki se razteza na 8,1⋅108 hektarih, pokrili s sončnimi celicami. Že četrtina te površine bi bila dovolj, da bi pri 10 % izkoristku pri pretvorbi pridobili 3,5⋅104 kWh električne energije, kar bi bilo dovolj za potrebe celega sveta leta 2050.

Prav tako razmišljajo o tem, da bi postavili velike sisteme sončnih celic na primerne prostore na severni in južni polobli, s čimer bi rešili problem poletje - zima, ko se količina sončnega sevanja zmanjša. Tako pridobljeno energijo bi preko satelitov pošiljali v industrijske in naseljene kraje, kjer bi jo porabili.

Osnove tega projekta so: • Postavitev sončnih celic na nerodovitnih tleh z mnogo sončnimi dnevi in pretvorba

sončne energije v električno. • Pretvorba električne energije v mikrovalove. • Prenos te energije kamorkoli na Zemlji preko anten na Zemlji in satelitov v orbiti

35.200 km nad Zemljo. • Ustrezna pretvorba energije in prenos v omrežje.

Velike rezerve obstajajo še v razvoju sončnih celic. Preizkušajo vse materiale, kot je bakrov in indijev diselenid, ki ima od do sedaj znanih materialov najvišjo stabilnost in najvišjo znano absorbitivnost sončnih žarkov. Z uporabo galijevega arzenida so uspeli izboljšati izkoristek sončnih celic pri pretvorbi na 30 %.

Vse te raziskave bodo omogočile nižjo ceno, enostavnejšo tehnologijo izdelave in boljši izkoristek, kar bo v prihodnosti omogočilo prodor sončnih celic na vsa področja uporabe pri oskrbovanju z energijo.

Povzetek

Sončna energija je naš najpomembnejši in najmanj škodljiv izvor energije. Zaradi razširjenosti je še posebej pomemben za dežele v razvoju, kljub temu da lahko sončna energija tudi v razvitih državah veliko doprinese. V obliki nizko temperaturne toplote lahko zamenja velike količine fosilnih goriv, ki se uporabljajo za segrevanje vode ter za ogrevanje in hlajenje zgradb (računalniški programi pomagajo arhitektom projektirati zgradbe tako, da tem boljše izkoristijo vpadajoče sevanje). Največji napredek je bil v preteklem desetletju narejen na področju sončnih elektrarn: pri majhnih enotah z napredkom fotoelektričnih celic, ki so začele vse bolj prodirati v dežele v razvoju z globokim sociološkim vplivom, pri MW ali več MW sistemih pa z napredkom tehnologije s paraboličnimi zrcali in sončnimi zbiralniki, pri katerih se stroški približujejo tistim v elektrarni na fosilna goriva. Možnosti za obsežne razsoljevalne postroje z uporabo sončne energije so vedno večje z naraščanjem svetovnih potreb po pitni vodi. Tehnologije centralnih zbiralnikov in sončnih dimnikov kažejo možnost za poceni energijo pri velikih postrojih v puščavskih območjih, ob seveda naprednih načinih prenosa energije. Fotoelektrična tehnologija kaže z zmanjševanjem stroškov precejšnje možnosti za veliko proizvodnjo električne energije. Načrti za 400 MW do leta 2005 in 1000 MW do leta 2010 so ne samo izvedljivi, ampak se lahko izkažejo za previdne.


LITERATURA

[1] T. Markvart, Solar electricity, J. Wiley & Sons Ltd, W. Sussex England 1994


[3] Knapp V., Kulišič P., Novi izvori energije, Školska knjiga Zagreb, 1985

[4] Frank Kreith, Jan F. Kreider, Principles Of Solar Enegineering, Hemisphere Publishing Corporation, Washington 1978

[5] Žumer V., FORTRAN , Tehniška fakulteta, Maribor 1987

[6] Popovič G.,Grozdanič D., Stajčič P., FORTRAN 77, Zbirka rešenih zadataka, Građevinska knjiga, Beograd 1989

[7] Članek A New International Review Jornual, Progress in Energy and Combustion Science, Calculation of monthly average insolation on tilted surfaces, England 1976

[8] Wilk H., SOLARSTROM, Arbeitsgemeinschaft erneuerbare energie , Gleisdorf 1994

[9] Kolar D., Sončna energija: skeptični energetiki, otimistični proizvajalci in prepričani futuristi, Tehniška založba Slovenije, Življenje in tehnika, September 1993

[10] Todorovič Z., Solarni generator u primeni, Beograd 1989

[11] J. I. B. Wilson, Solar Energy, Published 1979, Wykeham Publications (London) Ltd.

[12] Harold J. Hovel, Semiconductors and Semimetals, Vol. 11, Solar Cells, Academic press 1975, inc.

[13] Članek v reviji Progress In Photovoltaics, Research and aplications, vol. 3 (1995), Photovoltaic System Simulattion, Using a Standard Electronic Circuit Simulator

[14] M. Kleemann, M. Meliβ, Regenerative Energiequllen, Springer - Verlag 1988

[15] Hans Kurt Kothe, Praxis Solar - und Windelektrischer Energieversorgung, VDI-Verlag GmbH 1982


[17] Jože Furlan, Osnove nelinearnih elementov, Univerza Edvarda Kardelja v Lubljani 1980

[18] H. G. Wagemann, Optoelektronische Halbleiterbauelemente, Technische Universität Berlin 1978

[19] Revija Grundschaltungen der Elektronik, Opto-Elektronik, Franzis-Verlag 1986

[20] B. Krajšek, Diplomsko delo, Direktna pretvorba sončne energije v električno

[21] Knapp V., Kulišić P., Novi izvori energije, Školska knjiga Zagreb, 1985.

[22] Članek s posvetovanja Komunalna energetika: Sončna energija - opcija prihodnosti ? Zbornik A 1995

[23] Članek: J. Furlan, Primerjava lastnosti amorfnega in kristalnega silicija

[24] T. Tuma, Analiza vezij s programom Spice, Ljubljana 1982

[25] H. Požar, Energija i energetika, Tehnička enciklopedija V., Zagreb 1976


5. ELEKTROKEMIJSKA TEHNOLOGIJA

Elektrokemija je veja fizikalne kemije, interdisciplinarna, posebna v proučevanju reakcij med snovjo in elektroni ter povsem splošna pri uporabi. Pri elektrolizi uporabljamo električno energijo za izločanje elementov iz spojin (pridobivanje kovin kot so baker, aluminij, srebro ali vodika in kisika iz vode). Obraten proces predstavljajo elektrokemijski izvori energije, ki energijo shranjujejo v strukturi kemijskih vezi, ki jo ob preklopu stikala pretvarjajo v električno. Elektrokemijski proces je tudi korozija, ki “uničuje” tako koristno energijo kot materijo. Elektrokemijski procesi se dogajajo v okviru elektrokemijskega sistema: v raztopino ali talino elektrolita sta potopljeni dve elektrodi (kovinski palici, plošči ali podobno). Pri prehodu toka se elektroni s katode selijo v elektrolit in na anodo (slika 5.1). Kemijska reakcija ob elektrodah je redukcija ali oksidacija. Osnovni pojav teh reakcij je pridobitev ali izguba elektronov iz molekularne strukture:

redukcija / katodna reakcija

2H+ + 2e- → H2 Cu2+ + 2e- → Cu

oksidacija / anodna reakcija

Zn → Zn2+ + 2e- Pb → Pb2+ + 2e-

Število elektronov, ki sodelujejo v elektrokemijskih reakcijah na anodi in katodi, je enako. Vsota anodne in katodne reakcije je enaka kemijski reakciji, ki se odvija brez posredovanja električne energije.

tok tokAKAK

porabnik

elektroni elektroni

a) b)

Slika 5.1: Elektrokemijski sistem : a) izvor električne energije b) elektroliza

Reakcije, do katerih pride spontano, dajo električno energijo. Takšne sisteme imenujemo galvanski členi. Elektrokemijski sistem, v katerem pride do reakcije le ob vloženi električni energiji, pa elektrokemijski reaktor.

88 Elektrokemijska tehnologija

5.1 Napetostna vrsta

Reakcijo med cinkom in hidratiziranimi bakrovimi ioni lahko formalno prikažemo, kot da je sestavljena iz dveh procesov:

Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

oksidacija: Zn → Zn2+ + 2e- redukcija : Cu2+ + 2e- → Cu

Reakcijo lahko izvedemo neposredno, tako da potopimo kovinski cink v raztopino, ki vsebuje hidratizirane bakrove ione. Pri tem se cink “raztaplja”, nastajajo hidratizirani cinkovi ioni, baker pa se izloča v trdnem stanju. Isto reakcijo lahko izvedemo posredno, v galvanskem členu, tako da proces oksidacije in redukcije prostorsko ločimo, prenos elektronov pa omogočimo z električnim vodnikom.

Galvanski člen (slika 5.2) je sestavljen iz dveh polčlenov (ali elektrod; označimo ju Zn2+/Zn in Cu2+/Cu). Cinkov polčlen je ploščica cinka, potopljena v raztopino cinkovega sulfata, bakrov polčlen je ploščica bakra, potopljena v raztopino bakrovega sulfata. Polčlena sta povezana z električnim vodnikom in elektrolitskim ključem. Med polčlenoma teče tok, napetost galvanskega člena lahko izmerimo.

K2SO4 , KCl

V e-

elektrolitski ključ

Zn Cu

ZnSO4 CuSO4

polčlen Zn2+/ZnZn → Zn2+ + 2e-

polčlen Cu2+/Cu2e- + Cu2+ → Cu

i

Slika 5.2: Daniellov člen Zn/ Zn2+// Cu2+/Cu

Med ločenima polčlenoma obstaja potencialna razlika, kar lahko nekoliko poenostavljeno razložimo tako: del ionov, ki so v kovinski strukturi, zapusti površino kovine, preide v raztopino in se hidratizira; na kovini ostanejo presežni elektroni, zato ima kovina negativni naboj; med negativno nabito kovino in pozitivnimi ioni v raztopini je potencialna razlika. Seveda se opisani proces hitro ustavi, le izredno majhen delež ionov lahko v resnici zapusti površino kovine. Potencialne razlike med kovino in hidratiziranimi ioni ne moremo meriti. Vendar pa lahko predpostavimo, da je delež ionov, ki preidejo v raztopino, večji v primeru cinkove elektrode kot v primeru bakrove elektrode. Zato je potencialna razlika med kovino


in hidratiziranimi ioni v raztopini večja v primeru cinkove elektrode. Z drugimi besedami: cinkova plošča ima večji negativni naboj od bakrove plošče. Ko oba polčlena povežemo z električnim vodnikom in z elektrolitskim ključem, steče električni tok. Elektroni potujejo s cinkove plošče, kjer so v prebitku, na bakrovo ploščo, zato zaradi odtoka elektronov lahko na cinkovi plošči poteka nadaljnja oksidacija (Zn → Zn2+ + 2e-). Na bakrovi plošči pa zaradi dotoka elektronov prične potekati obratna reakcija - redukcija (2e- + Cu2+ → Cu). Med reakcijo v galvanskem členu se cinkova plošča zmanjšuje (“raztaplja”), bakrova pa povečuje (zaradi izločanja kovinskega bakra). Ker se v cinkovem polčlenu koncentracija kationov v raztopini povečuje, v bakrovem polčlenu pa zmanjšuje, morajo anioni iz bakrovega polčlena potovati preko elektrolitskega ključa v cinkov polčlen. V galvanskem členu dobimo električno delo na račun kemijske reakcije.

Napetost med polčlenoma je odvisna od temperature in koncentracije elektrolitov. Napetost merimo bodisi kompenzacijsko bodisi z inštrumenti z veliko notranjo upornostjo, tako da teče pri meritvi skozi galvanski člen čim manjši tok. Običajno tabeliramo napetost členov pri standardnih pogojih (25 °C, 101,3 kPa) ter za elektrolite z aktivnostjo ionov 1. Napetosti galvanskih členov se razlikujejo glede na vrsto oksidanta in reducenta, ki sodelujeta v elektrokemijski reakciji. Zato bi lahko uporabili napetosti členov kot merilo za jakost reducentov in oksidantov. Ker je kombinacij polčlenov - in s tem galvanskih členov - neskončno mnogo, dejanskega potenciala med kovino in ioni v raztopini pa ni mogoče določiti, uporabljamo relativno skalo. Po dogovoru je potencial vodikovega polčlena (ali vodikove elektrode) nič, tabeliramo pa napetosti, ki jih dajejo posamezni polčleni z vodikovim polčlenom.

Standardni vodikov polčlen (elektroda) je pripravljen tako: v raztopino žveplove kisline aktivnosti 1 je potopljena platinasta elektroda z veliko specifično površino (elektrolitsko izločena gobasta platina), ki jo obliva plinasti vodik pri tlaku 101,3 kPa.

Napetost člena, ki je sestavljen iz določenega polčlena in standardnega vodikovega polčlena, imenujemo redoks potencial (U). Redoks potencial je merilo za redukcijsko oziroma oksidacijsko sposobnost nekega redoks para. Zaradi lažjega medsebojnega primerjanja redoks potencialov, navajamo le-te vselej pri standardnih pogojih, v tem primeru imenujemo redoks potencial standardni potencial (U0). Standardni potenciali standardnega vodikovega polčlena ter cinkovega in bakrovega polčlena so na primer:

U0(H3O+/H2) = 0 , U0(Zn2+/Zn) = -0,76 V, U0(Cu2+/Cu) = +0,34 V

Glede na vrednost standardnega potenciala lahko razvrstimo vse redoks pare v napetostno vrsto. Po dogovoru navajamo v napetostni vrsti redukcijske potenciale (na primer za cinkov polčlen za reakcijo Zn2+ + 2e- → Zn), negativni predznak imajo standardni potenciali polčlenov, ki so glede na standardni vodikov polčlen reducenti. Tako predznak standardnega potenciala za nek polčlen ustreza dejanskemu naboju elektrode v galvanskem členu (negativni pol ima bolj negativni redoks potencial). V preglednici 5.1 so navedeni standardni potenciali za nekatere značilne redoks pare.

Napetost galvanskega člena izračunamo iz redoks vrste tako, da od bolj pozitivnega standardnega potenciala odštejemo bolj negativni standardni potencial. Napetost galvanskega člena s cinkovim in bakrovim polčlenom je: +0,34 - (-0,76) = 1,1 V

Preglednica 5.1: Napetostna vrsta


Redoks par U0(V) Redoks par U0(V) Li+ + e- ⇔ Li -3,0401 2H3O+ + 2e- ⇔ H2 + 2H2O 0,000 Rb+ + e- ⇔ Rb -2,98 Sn4+ + 2e- ⇔ Sn2+ 0,151 K+ + e- ⇔ K -2,931 Bi3+ + 3e- ⇔ Bi 0,29 Cs+ + e- ⇔ Cs -2,92 Cu2+ + 2e- ⇔ Cu 0,34 Ba2+ + 2e- ⇔ Ba -2,91 2ClO- + 2H2O + 2e- ⇔ Cl2 + 4OH- 0,40 Sr2+ + 2e- ⇔ Sr -2,89 O2 + 2H2O+ + 4e- ⇔ 4OH- 0,401 Ca2+ + 2e- ⇔ Ca -2,87 I2 + 2e- ⇔ 2I- 0,53 Na+ + e- ⇔ Na -2,71 Fe3+ + e- ⇔ Fe2+ 0,77 La3+ + 3e- ⇔ La -2,522 Hg e Hg2

2 2 2+ −+ ⇔ 0,797 Mg2+ + 2e- ⇔ Mg -2,37 Ag+ + e- ⇔ Ag 0,7996H2 + 2e- ⇔ 2H- -2,23 NO H O e NO H O3 3 24 3 6− + −+ + ⇔ + 0,96 Lu3+ + 3e- ⇔ Lu -2,25 Br2 + 2e- ⇔ 2Br- 1,07 Al3+ + 3e- ⇔ Al -1,66 MnO H O e MnO OH4 2 22 3 4− − −+ + ⇔ + 1,23 PO H O e HPO OH4

32 3

22 2 3− − − −+ + ⇔ + -1,05 CrO H O e Cr H O42

33

28 3 12− + − ++ + ⇔ + 1,35

2 2 2 432

2 2 42SO H O e S O OH− − − −+ + ⇔ + -1,12 Cl2 + 2e- ⇔ 2Cl- 1,36

SO H O e SO OH42

2 322 2− − − −+ + ⇔ + -0,93 2 12 10 183 3 2 2BrO H O e Br H O− + −+ + ⇔ + 1,48

Se + 2e- ⇔ Se2- -0,92 MnO H O e Mn H O4 32

28 5 12− + − ++ + ⇔ + 1,51 Zn2+ + 2e- ⇔ Zn -0,762 MnO H O e MnO H O4 3 2 24 3 6− + −+ + ⇔ + 1,68 Fe2+ + 2e- ⇔ Fe -0,447 Ce4+ + e- ⇔ Ce3+ 1,61 S + 2e- ⇔ S2- -0,476 O3 + 2H3O+ + 2e- ⇔ O2 + 3H2O 2,07 SeO H O e Se OH3

223 4 6− − −+ + ⇔ + -0,37 S O e SO2 8

2422 2− − −+ ⇔ 2,1

H3PO4 + 2H3O+ + 2e- ⇔ H3PO3 + 3H2O -0,28 XeF2 + 2e- ⇔ Xe + 2F- 2,2 Pb2+ + 2e- ⇔ Pb -0,13 2F2 + 2e- ⇔ 2F- 2,87 2D3O+ + 2e- ⇔ D2 + 2D2O (devterij) -0,003

Napetostna vrsta omogoča le napoved, da je neka reakcija (termodinamsko) možna, kar pa ne pomeni, da ta reakcija tudi v resnici poteka. Redoks potencial ne pove nič o hitrosti redoks reakcije. V resnici je večina redoks reakcij tako počasnih, da sploh ne potekajo; počasne so zlasti reakcije, v katerih so udeleženi plini. Vsi reducenti, ki imajo standardne potenciale manjše (bolj negativne) od - 0,42 V, bi morali vodo reducirati do vodika, v večini primerov (glej redoks vrsto!) do takšne reakcije ne pride. Tudi vsi oksidanti z redoks potencialom, večjim od + 0,82 V, bi morali oksidirati vodo do kisika - (vrednosti - 0,42 V in 0,82 V sta izračunani iz standardnih potencialov redoks parov H30+/H2 oziroma O2/OH-, preračunanih za koncentracijo H30+ = OH- = 10-7 ). V resnici oksidanti, kot so KClO3, K2CrO4 in KMnO4, ki imajo večje standardne potenciale od 0,82 V, vode ne oksidirajo. Vodne raztopine teh snovi so povsem obstojne, ustrezne redoks reakcije so namreč neskončno počasne. Zelo počasna je tudi redukcija kislih raztopin kalijevega manganata (U0 = + 1,51 V) z vodikom (U0 = 0 V). Le če nastaja vodik neposredno v kisli raztopini kalijevega manganata, je reakcijska hitrost večja. Nascentni vodik (vodik v “stanju nastanka”) je reaktivnejši, ker vsebuje določen delež atomarnega vodika. 5.2 Termodinamika redoks procesov

Pri prehodu elektronov od reducenta na oksidant se spremeni prosta entalpija sistema


(ΔG). Spremembo proste entalpije redoks reakcije (na primer Zn + Cu2+ ⇔ Zn2+ + Cu) bi lahko določili iz tabeliranih termodinamskih funkcij (ΔS, ΔH). V kalorimetru bi spremembo entalpije reakcije (ΔH) tudi neposredno izmerili. Spremembo proste entalpije pa je mogoče določiti tudi tako, da izvajamo reakcijo v galvanskem členu in izmerimo redoks potencial oziroma standardni potencial. Na račun reakcije, ki poteka v galvanskem členu, namreč člen opravlja delo - električno delo. Če merimo napetost galvanskega člena tako, da skozenj teče le zanemarljivo majhen električni tok (I ≈ 0), to je s kompenzacijsko metodo ali pa z voltmetrom z veliko notranjo upornostjo, poteka elektrokemijska reakcija neskončno počasi, torej reverzibilno; sistem je v vsakem trenutku v ravnotežju.

Če poteka reakcija v galvanskem členu reverzibilno, je električno delo, ki ga člen opravlja, enako spremembi proste entalpije. Električno delo je mogoče izračunati, če izmerimo napetost galvanskega člena (U):

Ael = ΔWel = z⋅F⋅U

F je Faradayeva konstanta (96.487 As/kmol), to je naboj mola elektronov, z je število elektronov, ki jih reducent odda (na primer pri reakciji Zn + Cu2+ ⇔ Zn2+ + Cu je z = 2).

Med napetostjo galvanskega člena in prosto entalpijo redoks reakcije je naslednja zveza:

ΔG = - z⋅F⋅U oziroma ΔG0 = - z⋅F⋅U0 (U0 je standardni potencial)

Reakcija poteka samodejno le, če je ΔG manjši od nič; z, F in U so pozitivni, zato pišemo negativni predznak.

Navedena zveza omogoča določevanje termodinamskih podatkov iz elektrokemijskih meritev. Ker je delo pri skoraj reverzibilni reakciji v galvanskem členu maksimalno, je energijski izkoristek reakcije, ki jo vodimo v galvanskem členu, večji od izkoristka običajne (ireverzibilne) reakcije.

5.3 Galvanski (primarni) členi

Primarni členi se razlikujejo od sekundarnih v tem, da elektrokemijske reakcije niso reverzibilne oziroma, če so, so v zelo malem obsegu. Vzrok so fizikalne spremembe, kot je na primer izguba električnega kontakta zaradi kemijskih proizvodov pri praznenju. Pri pogosto uporabljanem “suhem” členu je vzrok v močni koroziji cinkove posodice, ki predstavlja eno elektrodo. V sekundarnih členih ali akumulatorjih so reakcije obrnljive. Prvotne kemijske spojine ponovno dobimo ob pretoku električnega toka v obrnjeni smeri. Takšno obračanje, praznenje in polnjenje lahko večkrat ponovimo.

Zmogljivost členov merimo s kapacitivnostjo, ki je skupna električna energija, ki jo lahko člen (ali baterija) odda pri predpisanih pogojih. Izražamo jo v vatnih urah, ampernih urah ali času, ki je potreben za praznenje. Najpogosteje uporabljane amperne ure niso najbolj primerne za primarne člene, saj je napetost (s katero je treba pomnožiti amperne ure, da dobimo energijo) za različne člene zelo različna. Zmogljivost členov, ki jim napetost stalno pada, je odvisna od načina praznenja in končne napetosti.

Teoretično zmogljivost dobimo s Faradayevo konstanto: 1 mol aktivne snovi da 96.487 As oziroma 26,8 Ah. 1 mol aktivne snovi je atomska ali molekulska masa deljena s številom elektronov, ki sodelujejo v reakciji. Teoretična specifična zmogljivost je tako za sistem


Zn/Cu 830 Ah/kg :

Zn +Cu2+ → Zn2+ + Cu Pri tem gre v raztopino 1,22 g/Ah cinka, reducira se pa 1,18 grama bakrovega iona.

Napetost praznega teka (napetost galvanskega člena pri odprtih sponkah) tega člena je 1,1 V. Tako je teoretična specifična energija

1,1 V ⋅ 830 Ah/kg = 913 Wh/kg

Dejanska shranjena specifična energija je petkrat manjša.

Velikost členov je določena s standardi, ki pa se žal med seboj razlikujejo. Mednarodne oznake po IEC (International Electrotechnical Commission) so vedno znova zamenjane, najpogosteje z ameriškimi po ANSI (American National Standards Institute). V preglednici 5.2 so oznake in dimenzije okroglih členov in baterij. Oznake po IEC so osnovane na treh tipičnih oblikah členov:

• cilindrične so označene s črko R (round) • kvadrataste so označene s črko S (square) • ploščate so označene s črko F (flat)

Elektrokemijski proces je označen s črko pred oznako za velikost (preglednica 5.3). Število členov, ki so vezani serijsko, je v oznaki pred oznako elektrokemijskega procesa, število vzporednih členov je dodano za oznako celice in ločeno od številke, ki označuje velikost, s črtico: 3R20-2 je oznaka za baterijo, ki je sestavljena iz dveh vzporednih skupin po tri člene, velikosti 20; ker ni oznake za elektrokemijski proces, pomeni to baterijo: cink-oglje.

Najpreprostejši galvanski člen je Daniellov člen (1836). Elektrode so iz bakra in cinka, elektrolit pa je raztopina, ki vsebuje sulfatne ione. Kemijska reakcija pri praznenju je bila opisana v prejšnjem poglavju.

Suhi člen

Najvažnejši galvanski člen je Leclanchéjev člen (1868), ki ga danes izdelujejo pretežno v obliki suhega člena. Cinkova plošča ali posodica tvori katodo, ogljikova plošča ali palčka pa anodo. Elektrolit je nasičena vodna raztopina amonijevega klorida. Med praznenjem oksidira cinkova elektroda in se raztaplja:

Zn NH Zn NH e+ → ++ −2 23 3 22( )

Do polarizacije ne pride zaradi manganovega dioksida okoli grafita:

2 2 2 2 22 4 3MnO NH e MnOOH NH+ + → ++ −

Celotna reakcija, v kateri sodeluje tudi elektrolit

2 2 22 4 3 22MnO NH Zn MnOOH Zn NH+ + → ++ +( )

daje okoli 1,5 V pri odprtih sponkah.

V resnici člen ni zares popolnoma suh, saj je elektrolit gosta pasta (slika 5.3).

Preglednica 5.2: Oznake okroglih baterij po IEC in ANSI


Oznaka Dimenzije [mm] Okvirna masa IEC ANSI premer višina [g]

R 08 11,6 3,5 R 06 10,0 22,0 R 03 AAA 10,5 44,5 8,2 R 01 12,0 14,7 R 0 11,0 19,0 R 1 N 12,0 30,2 R 3 13,5 25,0 R 4 R 13,5 38,0 10,4 R 6 AA 14,5 50,5 15 R 8 A 16,0 47,8 21 R 9 16,0 6,2 R 10 21,8 37,3 R 12 B 21,5 60,0 35 R 14 C 26,2 50,0 45 R 15 24,0 70,0 R 17 25,5 17,0 R 18 25,5 83,0 R 19 32,0 17,0 R 20 D 34,2 61,5 100 R 22 E 32,0 75,0 132 R 25 F 32,0 91,0 159 R 26 G 32,0 105,0 181 R 27 J 32,0 150,0 272 R 40 6 67,0 172,0 998 R 41 7,9 3,6 R 42 11,6 3,6 R 43 11,6 4,2 R 44 11,6 5,4 R 45 9,5 3,6 R 48 7,9 5,4 R 50 16,4 16,8 R 51 16,5 50,0 R 52 16,4 11,4 R 53 23,2 6,1

Preglednica 5.3: Oznake elektrokemijskega procesa po IEC


Vrsta Oznaka

cink - oglje brez oznake

cink - kisik A

alkalna - manganov dioksid (MnO2) L

cink - živosrebrov oksid M

cink - živosrebrov oksid z MnO2 N

cink - srebrov oksid S

kovinsko ohišje(pozitivni del)

tesnilozračni žep

katoda

katodni tokovnizbiralnikanodaplaščelektrolit

separator

izolacijska posoda

dno

kovinsko dno(negativni del)

asfaltni pečatpodporno tesnilo

Slika 5.3: “Suhi” Leclanchéjev člen

V obratovanju (uporabi) je praznenje takšnega člena mnogokrat prekinjeno (intermitirajoče). V času, ko tok teče, napreduje polarizacija, v času mirovanja pa si baterija opomore. Slika 5.4 kaže napetost in tok pri stalnem praznenju “amerikanke” (R20) z žarnico (R≈1,15 Ω).


U

I

I [mA]

t [h]6

95

100

105

1

1,2

1,4

U [V]

1101,6

8420

Slika 5.4: Tok in napetost pri stalnem praznenju “amerikanke” (R20) skozi upor 1,15 Ω

Za potrebe elektronskih transistorskih naprav so razvili suhe člene tudi v ploščati obliki in v plasteh, da je napetost večja (slika 5.5).

katodnamešanica

elastični ovitek

ogljenaprevlekacink

separator

podloga

enota

pozitivni kontakt

negativni kontakt

( - ) ( + )

Slika 5.5: Zgradba ploščatega Leclanchéjevega člena

Pri tem se pri izdelavi pojavijo problemi, da ne pride do stika med elektroliti dveh sosednjih členov, oziroma da elektrolit ne odteče. Takšen je bil tudi Voltin stolp (1799) - cinkove in srebrne ploščice, paroma naložene v stolp s ploščicami iz v kislino namočene lepenke (slika 5.6). Danes je za rešitev znanih več načinov z modernimi materiali.


ZnAg

ZnAg

ZnAg

ZnAg

ZnAg

ZnAg

Zn

_

+

Ag

Slika 5.6: Voltin stolp

Westonov standardni člen (slika 5.7)

V hermetično zaprti stekleni posodi v obliki črke H so katoda, anoda in elektrolit (slika 5.7). Katoda je iz živega srebra. Zaradi preprečevanja polarizacije je nad njo plast goste paste iz živosrebrovega(I) sulfata. Anodo tvori 10 - odstotni kadmijev amalgam. Elektrolit je vodna raztopina kadmijevega in živosrebrovega(I) sulfata. Za zagotovitev nasičenosti elektrolita sta nad elektrodama še plasti kristalov kadmijevega sulfata. Za preprečitev hidrolize je v malih količinah dodana še žveplova(VI) kislina.

Reakciji na katodi in anodi sta:

Cd + SO4 → CdSO4 + 2e-

Hg2SO4 + 2e- → 2Hg + SO4

oziroma skupna reakcija:

Cd + Hg2SO4 → CdSO4 + 2Hg .


Napetost člena z nenasičenim elektrolitom je manj občutljiva na temperaturne spremembe. Letno se spremeni napetost takšnega člena za 0,001 %, notranja upornost pa je nekaj sto ohmov.

Cenejša in boljša napetostna normala so danes vezja s Zenerjevo diodo.

nasičenelektrolitCdSO4

nenasičenelektrolitCdSO4

poroznapregrada

Hg2SO4

depolarizacijskapasta

Hg2SO4

depolarizacijskapasta

CdSO4kristali

Hg2Cdamalgam

Hg2Cdamalgam

Hg2CdamalgamHg Hg Hg

+ - + - + -

a) b) c)

Slika 5.7: Westonov člen: a) z nasičenim elektrolitom b) s porozno pregrado c) z nenasičenim elektrolitom

-20 0 20 40Temperatura [°C]

-20 0 20 40

Temperatura [°C]

60

4 °C

3,1 °C

1,0189

1,0191

1,0193

1,0195

1,0174

1,0178

1,0182

1,0186

1,0190

U [V] U [V]

a) b)

Slika 5.8: Napetost Westonovega člena a) z nasičenim elektrolitom b) z nenasičenim elektrolitom


Alkalni členi

imajo kot elektrolit bazo namesto kisline. V uporabi je več vrst:

• bakrov oksid / cink Anoda je iz bakrovega oksida, elektrolit je raztopina kaustične sode. Veliko jih uporabljajo v železniški signalizaciji, saj so poceni in v obratovanju s prekinitvami sposobni dolgo časa držati 1 V napetosti. Reakcija na anodi je redukcija bakrovega oksida:

CuO → Cu(OH)2 → Cu2+ + 2(OH)- in Cu2+ + 2e- → Cu

medtem ko na katodi oksidira cink

Zn + 2(OH)- → Zn(OH)2 + 2e-

• srebrov oksid / cink

Ta redoks par uporablja vojska in še nekateri posebni uporabniki. Z majhnimi dopolnitvami lahko deluje tudi kot obrnljiv člen v vsej zmogljivosti za omejeno število ciklov. Take baterije so petkrat zmogljivejše od katerihkoli drugih pri isti teži in prostornini. Uporabljajo jih povsod, kjer so zahtevani zelo veliki tokovi pri majhni teži in prostornini - torpedo, vodeni izstrelki, vesoljski sateliti. Baterije so lahko dolgo skladiščene suhe in takoj pripravljene za obratovanje, ko jih napolnimo z elektrolitom. Anoda je iz srebrovega prahu, ki se pretvori v peroksid (Ag2O2). Cinkova elektroda je iz paste cinkovega oksida in raztopine kalijevega karbonata, ki je stisnjena v kovinski zaslon. Le-ta je potem elektrolitsko reducirana v gobast cink. Elektrolit je kalijev karbonat. Tanka plast celofana ali papirja služi kot separator, da ne pride do kratkega stika (slika 5.9). Reakcije pri praznenju so analogne prej opisanim s to razliko, da srebrov peroksid v vmesni stopnji preide v srebrov oksid (AgO), preden se reducira v kovinsko srebro. Oba koraka redukcije imata svojo lastno napetost. Tako ima sveža baterija kratek čas napetost 1,80 V. Druga stopnja praznenja pri približno 1,5 V je opazno stabilna, dokler niso porabljeni vsi aktivni reagenti. Takrat napetost hitro pade.

pokrov izolacijsko tesniloanoda

separatorkatoda dno

Slika 5.9: Prerez tipičnega člena srebrov oksid/cink


• živosrebrov oksid / cink

Elektrolit je kalijev karbonat, elementi pa so močno vlažni. Ta člen poznamo pod imenom Ruben-Mallory, ima zelo majhne izgube v mirovanju in dolgo časa stalno napetost pri majhnem praznenju. Za slušne aparate ga izdelujejo v obliki kovinskih gumbov. Živosrebrov oksid, pomešan z ogljem, je anoda. Zmes je stisnjena v tabletko in nameščena v jekleno kapico, ki tvori polovico gumba. Tabletka stisnjenega cinkovega prahu z malo živega srebra je v stiku z drugo polovico gumba, ki je iz bakra. Ločitev zagotavlja plast papirja, prepojenega z raztopino kalijevega karbonata. Zunanji površini kovin sta izolirani s plastiko in tvorita priključka (slika 5.10). Zmogljivost je nekaj miliampernih ur. Reakcije so podobne kot pri ostalih alkalnih členih.

pozitivna: HgO + H2O + 2e- → Hg + 2(OH)-

negativna: Zn + 2(OH)- → Zn(OH)2 + 2e-

Napetost praznega teka je 1,35 V, pod obremenitvijo pa 1,25 - 1,0 V.

anoda

najlon

elektrolitkatodavpojni separator

zaporni separatorposoda celice(pozitivni del)

vrh celice(negativni del)

Slika 5.10: Prerez člena živosrebrov oksid/cink

Litijeve baterije

V napetostni vrsti (preglednica 5.1) ima litij najbolj negativen potencial. Majhna gostota in visoka električna prevodnost sta le še dodatni lastnosti, ki ga opredeljujeta kot idealen material za anodo. Katoda je lahko tekočina ali plin (SO2 ali SOCl2), lahko je kovinski oksid ali sulfid (V2O5, FeS), v členih s trdnim elektrolitom pa je katoda svinec ali svinčeve spojine. Litij burno reagira z vodo, zato so običajno elektroliti organske tekočine. Izjemi sta tionil klorid - SOCl2 in SO2Cl2, ki sta istočasno topilo in aktivna snov na katodi, električni kontakt pa je vzpostavljen preko ogljene palčke. Litijeve baterije odlikujejo visoka napetost členov (3,9 V), velika specifična energija (2- do 4-krat večja kot pri


običajnih suhih), veliko temperaturno delovno območje (-40 °C do 70 °C), stalna napetost in notranja upornost med praznenjem ter visoka življenjska doba (uporabne tudi po desetih letih skladiščenja).

Kemijska reakcija:

4Li + 2SOCl2 → 4LiCl + S + SO2

daje napetost praznega teka 3,65 V in teoretično zmogljivost 1470 Wh/kg. Na sliki 5.11 je prikazana napetostna odvisnost od časa praznenja.

Tovrstne cilindrične baterije so izvor energije za CMOS spomine, velike kvadrataste pa v vojski za rezervno napajanje.

Kemijska reakcija:

Li + MnO2 → MnO2Li

daje napetost praznega teka 3,5 V in teoretično zmogljivost 1005 Wh/kg. Izdelujejo jih v cilindrični ali ploščati obliki (slika 5.12) s kapaciteto od 30 do 1200 mAh. Z nazivno napetostjo 3 V nadomeščajo po dva suha člena, uporabljajo pa jih za spomin, ure, računalnike, kamere, pa tudi za električne pogone in bliskavice.

0

Ure obratovanja

Napetost celice [V]

10 20 30 401,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Li/SOCl2

Slika 5.11: Praznenje litijevega Li/SOCl2 R14 člena s 100 mA tokom


plašč

kovinskoohišje

katoda

separator

anodanatičplastična odprtinaza zračenjetanki kovinski disk -pokrov celice

anodnakontaktna vzmetanodni tokovnizbiralnik

zračenje

negativna elektroda (Li)

pozitivna elektroda (MnO2)

zbiralec anodni pokrov

izolacijski paket

katodno ohišje

organski elektrolit in separator

( - )

a)

b)

Slika 5.12: Li/MnO2 bateriji : a) cilindrična

b) ploščata

Nalivne baterije

To so členi, ki se aktivirajo s tekočino. Lahko jih hranimo zelo dolgo časa v suhem stanju in jih aktiviramo z napolnitvijo (ali potopitvijo) s slano ali sladko vodo; v primeru sladke vode je v členu za boljšo prevodnost soda ali kalijev klorid.

• srebrov klorid / magnezij

Členi s srebrovim kloridom so dragi, vendar so zmožni zelo velikih tokov, kar je tipično potrebno za električna torpeda. Ko jih potopimo v morsko vodo, so v trenutku aktivni. Anoda je tanka plošča srebrovega klorida, katoda je oblikovana iz magnezijevega traku. Elektrode so ločene z gumijastimi trakovi, papirjem, ebonitom ali steklom. Cilindrične oblike členov z zvitimi ploščami uporabljajo za meteorološke balone.


Med praznenjem se reducira srebrov oksid v kovinsko srebro, klorovi ioni Cl- potujejo skozi vodo do katode, ki se oksidira v magnezijev klorid MgCl2 6H2O. Nastajanje srebra med praznenjem povečuje prevodnost, to pa preprečuje polarizacijo in stabilizira napetost, ki znaša v praznem teku 1,7 V, med praznenjem pa pada od 1,5 do 1V.

• bakrov klorid / magnezij

Kemijske reakcije so podobne kot pri členih s srebrovim kloridom; bakrovi členi so cenejši, je pa nižja tudi napetost. Uporabljajo jih za radarske sonde in meteorološke postaje. Za višje napetosti in manjše toke izdelujejo bipolarno izvedbo z dvojnimi elektrodami.

• svinčev oksid / magnezij

Tak člen je preprost, sestavljen iz anode iz svinčevega(IV) oksida (podobno kot v svinčevem akumulatorju) in v črki U oblikovane katodne plošče iz magnezija. Med elektrodama je kot separator s kalijevim kloridom impregnirani papir. Dno elementa je odprto - člen aktiviramo s potapljanjem v svežo vodo za 30 s. Reakciji sta redukcija svinčevega dioksida v svinčev oksid na anodi in oksidacija magnezija v magnezijev hidroksid na katodi. Baterija iz dveh členov (za meteorološke balone) zagotavlja pol ure 0,3 A pri 3,0 V. Ker so reakcije pri praznenju eksotermne, lahko taka baterija obratuje tudi pri temperaturah do -40 °C.

Kisli členi

so primarni členi, pri katerih uporabimo kot elektrolit kislino. Razviti so bili za posebne namene za potrebe vojske in meteorologov:

• svinčev oksid / cink (ali kadmij) / žveplova(VI) kislina

Tovrstne člene je možno dolgo shranjevati suhe in jih po potrebi aktivirati. To je velika prednost pri radijskih sondah, meteoroloških balonih, daljinskih meritvah vodljivih izstrelkov in podobnih posebnih rabah. Omenjajo jih kot kratkotrajno rezervo. Elektrode iz svinčevega(IV) oksida (kakor v svinčevem akumulatorju) so zvarjene vzporedno, ustrezno zahtevani zmogljivosti. Vmes so plošče cinka ali kadmija, ločitev je izvedena z debelimi pasovi papirja. Žveplovo(VI) kislino, gostote 1270 kg/m3 pri 15,5 °C, lahko nalijemo samo nekaj ur pred uporabo. Kemijske reakcije so redukcija svinčevega(VI) oksida v svinčev sulfat ter oksidacija katode v cink (ali kadmij). Napetost praznega teka je 2,5 V s cinkom ali 2,2 V s kadmijem. Člen s cinkom da višje napetosti in toke, vendar pod 10 °C; pri višjih temperaturah so velike izgube v praznem teku. Svinčev dioksid/svinec/klorova kislina so trije členi, ki so običajno povezani v baterijo.

• Odlične reakcije med praznjenjem dobimo s klorovo(VII) kislino, nekoliko slabše s fluorovo ali fluorosilicijevo kislino, nastanejo pa topljive svinčeve spojine. Polarizacija zaradi reakcij produktov je majhna, tako da ni treba umetno povečevati površine elektrod (niso porozne, luknjičaste). Skoraj vso snov aktivnih elektrod je možno izrabiti, kar zagotavlja tem členom dobro razmerje med zmogljivostjo in težo. Imajo pa nasprotno velike izgube v praznem teku, zato jih je treba izrabiti kmalu po formiranju. Uporabni so zato povsod tam, kjer lahko “suhe” skladiščimo vse do uporabe in potrebujemo majhno težo pri zelo velikih tokih kratek čas. Anoda je iz tanke plasti


svinčevega dioksida, nanešene na ploščo iz bakra, niklja ali železa, katoda pa iz tankih plasti svinca, prav tako na bakru, niklju ali železu (običajno nanos z galvanizacijo). Plošče so povezane vzporedno v pakete, med njimi so letvice za boljše pretakanje kisline. Kislina je shranjena v posebnih posodicah nad členi in šele ob formatiranju (prvem zagonu) steče med plošče. Med praznenjem se svinčev dioksid reducira v svinčev(II) monoksid, ki se pretvori v svinčevo sol klorove(VII) kisline; svinčena katoda se oksidira prav tako v svinčevo sol klorove(VII) kisline. Običajno so zgrajene bipolarno, svinec in svinčev dioksid sta nanešena na nasprotnih straneh nikljeve plošče. Napetost praznega teka je pri 40-60 % raztopini klorove(VII) kisline 2,1 V oziroma 1,9 V pri fluoroklorovi in fluorosilicijevi kislini. Klorova(VII) kislina je pri visokih koncentracijah eksplozivna v stiku z organskimi materiali (papir, žagovina). Drugi dve kislini nista tako rizični, dajeta pa manjšo moč.

5.4 Akumulatorji (sekundarni členi)

Zelo važna lastnost sekundarnih ali obrnljivih členov je praznenje in polnjenje - pretvorba električne energije v kemijsko energijo in zopet nazaj v električno. Temu nizu dogajanj pravimo cikel, mora pa potekati (skoraj) popolnoma obrnljivo, mora imeti visok energijski izkoristek ter minimalne fizikalne spremembe, ki bi lahko vplivale na življenjsko dobo člena. Razen tega zahtevamo še visoko energijsko gostoto, majhno notranjo upornost in široko temperaturno delovno območje. Vse te zahteve močno omejujejo nabor snovi, ki jih lahko uspešno uporabljamo v akumulatorjih.

Najvažnejša dela akumulatorja sta dve elektrodi, ki ju ločijo pregrade in sta potopljeni v elektrolit, vse skupaj pa je vgrajeno v primerno posodo. Pri svinčevem akumulatorju je anoda svinčev(IV) oksid, katoda pa čist svinec. V alkalnem akumulatorju je anoda niklov hidroksid, katoda pa železo ali kadmij. Elektrolit je pri svinčevem razredčena žveplova(VI) kislina in pri alkalnem razredčen kalijev lug.

Svinčev akumulator

Tok v zunanjem tokokrogu teče od anode h katodi. Reakciji sta:

negativna elektroda:

pozitivna elektroda:

Pb HSO+ −4

PbO H HSO e2 43 2+ + ++ − −

praznenjepolnjenje

praznenjepolnjenje

PbSO trd H e4 2( ) + ++ −

PbSO trd H O4 22( ) +

Potencialni razliki sta +1,685 V in -0,356 V, kar da napetost praznega teka 2,041 V. Za polnjenje moramo sekundarni člen priključiti na enosmerni vir. Med polnjenjem sta reakciji obrnjeni.

Lahko pa zapišemo tudi celotno reakcijo naenkrat:

Pb + PbO2 + 2H+ + 2HSO4- 2PbSO4 + 2H2O

Med praznenjem se aktivni deli obeh elektrod pretvarjajo v svinčev sulfat, istočasno pada koncentracija elektrolita ob porabi sulfatnih ionov in nastajanju vode. Specifična energija je 20 Wh/kg, medtem ko je teoretična 120 Ah/kg (slika 5.13).

praznenjepolnjenje


4,7 %

10,3 %

21,5 %

27,5 %

36,0 %

aktivni materiali

vrhnja plast svinca

ohišje, pokrov, odprtine, čepi, separatorji

mreže

elektrolit

Slika 5.13: Masni deleži tipičnega zagonskega akumulatorja

Med polnjenjem se pretvarja (reducira) svinčev sulfat na katodni plošči v svinec in na anodi v svinčev(IV) oksid; pri tem se tvorijo sulfatni ioni ob obeh ploščah in tako zvišujejo koncentracijo elektrolita. Meritve koncentracije so tako pokazatelj stanja elektrod (areometer). Tipična krivulja napetosti med polnjenjem in praznenjem je na sliki 5.14.

0 5Čas [h]

Napetost celice [V]

1,7

2,0

2,7

Slika 5.14: Tipični potek napetosti med polnjenjem in praznenjem svinčevega akumulatorja

Svinčev sulfat, proizvod reakcij med praznenjem, je praktično netopljiv v elektrolitu. To daje temu sekundarnemu členu tako visoko stopnjo obrnljivosti. V ciklih ostaja svinčev sulfat tam, kjer nastaja. Tako je struktura aktivnih materialov neprizadeta.

Svinčev(IV) oksid in gobasti svinec sta aktivni snovi, zanju pa so potrebni kovinski nosilci ali okvirji. Uspešnost modernih akumulatorjev je odvisna od oblikovanja in izdelave plošč in vmesnih ločilnikov, ki preprečujejo notranje kratke stike in pomagajo, da ostanejo aktivne snovi na pravem mestu (slika 5.15).

Aktivna snov, s katero so zalite odprtine rešetke iz svinca, je pasta, narejena z mešanjem


svinčevega oksida z vodo in žveplovo kislino. Plošča je utrjena, posušena in elektrokemijsko spremenjena v svinčev(IV) oksid ali gobast svinec v raztopini žveplove kisline. Mreža je istočasno nosilec za aktivno snov in vodnik toka do ali od aktivne snovi. Prednost takšne plošče je, da je lahko mreža narejena iz zelo tankih reber (debeline 1,5 mm ali manj) in je zato razmerje med aktivno snovjo in nosilci zelo ugodno.

Vmesni ločilniki skrbijo v nekaterih členih le za razdaljo, v drugih imajo vlogo prepone, ki preprečuje kratke stike. V starejših izvedbah so bili takšni separatorji iz lesa, v modernejših je običajen mikroporozen polivinilklorid. Ima visoko difuzivnost, majhno električno upornost v kislini in je pri normalnih pogojih trajen. Pomembna je tudi oblika vmesnikov. Proizvoda kemijske reakcije ob anodni plošči sta voda in svinčev sulfat, ki izriva SO4

2− ione iz elektrolita. Kislina se tako dvojno redči ob anodni plošči, medtem ko nastaja ob katodi samo svinčev sulfat. Zato je treba predvideti večji prostor za kislino ob anodni plošči. V členih, kjer je količina kisline minimizirana, so vmesniki običajno rebrasti in naslonjeni na plošče.

večcevna ventilacija s

s povratno zaporo

korozijsko odporenpriključek

trojne medceličnepovezave

zgradba s kompaktnimielementi skrajša pot toka in

zagotavlja strukturnoceloto

visoko učinkovnakonstrukcija plošče

nizkouporovnavijugasta izolacija

objemka zanamestitev elementa

zunanje ohišje iz grobegabrizganega polipropilena

Slika 5.15: Prerez svinčevega akumulatorja


Koncentracije elektrolita (raztopina žveplove(VI) kisline) so odvisne od namena uporabe akumulatorja. Napetost celic z višjo koncentracijo je višja. Najmanjšo električno upornost ima pri 20 °C 31 % raztopina, ki ima gostoto 1225 kg/m3; najnižje ledišče ima raztopina z gostoto 1300 kg/m3. Tako so stacionarne baterije običajno napolnjene z elektrolitom z gostoto 1200-1215 kg/m3; avtomobilske in za vleko 1275-1285 kg/m3 oziroma v tropskih krajih 1240-1260 kg/m3. Pomembne so tudi nečistoče v elektrolitu. Klorova, ocetna ali solitrna kislina nagrizejo mrežo anode, zato je treba njihovo prisotnost zmanjšati na minimum tako pri polnjenju s kislino kot pri dolivanju vode zaradi izhlapevanja oziroma elektrolize med polnjenjem. Kovine (železo, mangan) povzročajo samopraznenje anodne in katodne plošče. Nikelj ali baker povzročata samopraznenje katodne plošče. Za dolivanje uporabljamo samo destilirano vodo.

Na obliko in izvedbo akumulatorjev vpliva namen uporabe. Startni akumulatorji, ki jih uporabljamo za startanje, razsvetljavo in vžig cestnih vozil, so običajno sestavljeni iz treh členov (6 V), šestih členov (12 V) ali dvanajstih členov (24 V) v skupnem ohišju. Plošče, izdelane po prej opisanem postopku, imajo posebno prednost, kadar potrebujemo velike tokove. Akumulatorji za vleko električnih vozil imajo ravne plošče ali z železom obdano cevno obliko. Ta rešitev dovoljuje večje praznenje in povečanje površine aktivne snovi. Pri ravnih ploščah so “zadrževalniki” v tesnem stiku z anodnimi ploščami. Življenjska doba je 6 ali več let. Pri členih s cevnimi elektrodami so narejeni valji iz zelo poroznega materiala (terylen, fiberglas, polivinil). S posebnimi ukrepi (povečanje permeabilnosti kisline) dosežejo do 30 % boljše razmerje med zmogljivostjo in maso oziroma zmogljivostjo in prostornino. Pri tem je nespremenjena življenjska doba in število praznenj in polnjenj.

Nikelj-kadmijev in nikelj-železov alkalni akumulator

Oba alkalna akumulatorja imata za elektrolit raztopino kalijevega hidroksida ter za anodo isto aktivno snov - nikljev hidroksid. Nikelj-kadmijev člen ima katodo iz kadmija z malo primesi železa. Oba člena imata napetost praznega teka okoli 1,2 V. Kadmij zagotavlja nikelj-kadmijevemu členu nižjo napetost polnjenja in manjšo ohmsko upornost, karakteristika je podobna U-I karakteristiki svinčevega akumulatorja. Nikelj-železov akumulator uporabljajo običajno pri vleki, kjer višja polnilna napetost in notranja upornost ne pomenita veliko.

Kemijske reakcije so dokaj zapletene:

anoda: 2Ni(OH)3 + H2O → 2NiOOH + 2H+ + 2e- → 2Ni(OH)2

katoda: Cd + 2OH- → Cd(OH)2 + 2e-

Potenciala teh reakcij sta: +0,49 V in -0,81 V, kar da napetost člena v praznem teku 1,30 V.

Celotna reakcija je:

2NiOOH + 2H2O + Cd 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2

Specifična energija je 20 Wh/kg, teoretična zmogljivost pa 180 Ah/kg. Te reakcije potekajo v nikelj-kadmijevem členu. Za reakcijo v nikelj-železovem členu moramo kadmij (Cd) zamenjati z železom (Fe).

Elektrolit je raztopina čistega kalijevega luga (KOH) gostote 1200 kg/m3; včasih dodajo male količine litijevega luga. Elektrolit ne sodeluje v reakcijah, zato ostaja njegova gostota stalna. Členi lahko mirujejo brez posledic v kateremkoli stanju polnosti (ali praznosti). Kot

praznenjepolnjenje


pri svinčevem akumulatorju voda izhlapeva in jo je treba nadomestiti z destilirano vodo. Tipične karakteristike med praznenjem in polnjenjem so na sliki 5.16.

Splošno je tok praznenja ali polnjenja označen kot razmerje zmogljivosti C [Ah] in števila ur praznenja oziroma polnjenja :

[ ]ICN

A= .

3 ure5 ur

7 ur

l = C/5

l = C/3

l = C/2

l = C/1

0 1 2 3 4 5Čas [ure]

1,6

1,8Napetost celice [V]

1,0

1,2

1,4

60,8

Slika 5.16: Spreminjanje napetosti med praznenjem in polnjenjem nikelj kadmijevega člena z nizko notranjo upornostjo

Čas, potreben za polnjenje je 7 ur. Napetost naraste od 1,4 V ob začetku na 1,8 V (nikelj- -železov člen) ali na 1,7 V (nikelj kadmijev člen) po približno petih urah. Polnilni tok naj bi bil 40-50 % večji kot tok praznenja. Ker alkalnih členov ni možno pokvariti s predolgim polnjenjem, jih lahko nazivno polnimo ne glede na stanje polnosti členov.


čep polnilne odprtine bakrena palica, vlita vjeklen držaj

pozitivni priključek

tekočinsko tesnilopozitivna mrežasta plošča

perforirana jeklena cev, kivsebuje pozitivni aktivnimaterial

ojačitveni jekleni obroč

perforirani ebonitniseparator

valovito jekleno ohišje

gumb za pritrditev

negativni priključek

pokrov celice(varjeni spoji)

distančnikipovezovalna palica

negativna mrežasta plošča

perforirani jekleni paket,ki vsebuje negativni

aktivni material

ebonitna stranska izolacija

izolacija stranske palice

jekleno dno(varjeni spoji)

Slika 5.17: Nikelj-železov akumulator

Srebrov oksid / cink alkalni akumulator

Srebrove akumulatorje uporabljajo povsod tam, kjer je potrebna visoka zmogljivost ob majhni masi in prostornini. Njihova zmogljivost je štiri do petkrat večja kot zmogljivost ustreznega svinčevega ali železovega akumulatorja. Enota za 100 Ah ima mere 0,1×0,05 m in je 0,2 m visoka, masa je 1,5 kg (slika 5.18). Srebro je drago, členi pa imajo majhno število ciklov (10 - 50), tako da širše niso uporabni (letala, vojska in vesolje).

Elektrolit je kot pri vseh alkalnih členih kalijev lug. Srebrov oksid na anodni plošči gre skozi dve stopnji oksidacije, katerih vsaka ima svoj potencial. Med praznenjem potekajo naslednje reakcije:

anoda: a) 2AgO + H2O + 2e- → Ag2O + 2OH-

b) Ag2O + H2O + 2e- → 2Ag + 2OH-

katoda: Zn + 2OH- → Zn(OH)2 + 2e-


pozitivni priključek

negativni priključek polnilni in ventilacijski ventil

ventilacijska loputa(zaščita pred prelivanjem

in uhajanjem)

plastično ohišje

elektrolit(v glavnem absorbiran v

aktivne materiale-vzdrževanje ni potrebno)

negativne elektrode(cink ali kadmij)

pozitivna elektroda(srebro)

zunanji separator

separator ionskegaizmenjevalca

notranji separator

Slika 5.18: Prerez srebrov oksid/cink akumulatorja

Potenciala na anodi sta +0,57 V in +0,34 V, potencial katode je -1,24 V, tako da je napetost praznega teka 1,81 V oziroma 1,58 V.

Celotna reakcija je:

2 2

2 22 2

2 2

AgO H O ZnAg O H O Zn

praznenjepo jenje

Ag O Zn OHAg Zn OH

+ ++ +

⎫⎬⎪

⎭⎪

→←

++

⎧⎨⎪

⎩⎪ln

( )( )

Specifična energija je 150 Wh/kg pri teoretični zmogljivosti 283 Ah/kg. Posebej se odlikuje po visokem tokovnem izkoristku (uvedene amperne ure/izkoristljive amperne ure), ki je večji od 95 %. Zaradi razlike napetosti med polnjenjem in praznenjem je energijski izkoristek (uvedene vatne ure/izrabljive vatne ure) samo okoli 70 %. Napetost člena med praznenjem in polnjenjem je na sliki 5.19. Členi so med seboj običajno različni, zato pride do nezanesljivega obratovanja pri večjem številu zaporedno in vzporedno vezanih členov. V tem primeru odpade predvsem zmožnost večkratnega polnjenja in praznenja.


0 2 4 6 8 10Čas [ure]

1,6

1,8


1,0

1,2

1,4

12

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Odstoteknapolnjenosti1,0

1,2

1,4

1,6

1,80


b)

a)

Slika 5.19: a) Napetost med praznenjem srebrovega akumulatorja b) Krivulja polnjenja srebrovega akumulatorja pri 20 °C v času 10 ur

Nikelj-vodikovi akumulatorji

Zaprti nikelj-vodikovi (Ni-H2) sekundarni členi so hibrid, ki združujejo tehnologijo baterij in gorivnih celic. Anoda iz nikljevega oksida je vzeta iz nikelj-kadmijevega člena, vodikova katoda pa iz gorivne celice vodik-kisik. Dobre lastnosti so velika specifična energija (60Wh/kg), veliko število tudi velikih praznenj, neobčutljivi so na prekomerno polnjenje in zamenjavo polaritete; slabe lastnosti so veliki začetni stroški (cena) in relativno veliko samopraznenje. V začetku so bili namenjeni le za uporabo v vesolju (Intelsat), sedaj pa prodirajo že tudi v normalno rabo.

Kemijske reakcije pri normalnem obratovanju:

nikljeva elektroda: NiOOH + H2O + e- Ni(OH)2 + OH-

vodikova elektroda: 1/2 H2 + OH- H2O + e-

skupna reakcija: 1/2 H2 + NiOOH- Ni(OH)2

praznenjepolnjenje

praznenjepolnjenje

praznenjepolnjenje


Zaprti Ni - H2 členi imajo vodik v plinastem stanju pod cilindričnim plaščem. Med polnjenjem je tlak plina med tremi in štirimi MPa.

Napredni metalhidridni akumulatorji

Družba Ovonic Battery je razvila in lastninsko zaščitila metalhidridno baterijo (nickel metal hydride battery - NiMH), v kateri je vodik v obliki trdnega hidrida, in ki ima veliko specifično energijo, visoko izhodno moč in dolgo življenjsko dobo. Metalhidridne baterije imajo še naslednje pozitivne lastnosti: brez težav prenašajo obremenitve, imajo širok obseg delovne temperature, lahko jih hitro napolnimo in jih ni treba vzdrževati. Baterija deluje na temperaturi okolice, narejena je iz nestrupenih materialov in jo je možno reciklirati. Za katodo teh baterij so razvili povsem nov spekter materialov. Za kovinske hidride pridejo v poštev materiali z več elementi, ki uporabljajo strukturno in kompozicijsko neurejenost na različnih nivojih oddaljenosti. Materiali za elektrode iz kovinskih hidridov se sedaj proizvajajo v velikem obsegu.

Na trgu so že dostopne male baterije za splošno uporabo, ki imajo specifično energijo 70 do 80 Wh/kg oz. gostoto energije več kot 240 Wh/l in izvrstne karakteristike, uspešno pa so bile predstavljene tudi v električnih vozilih kot paketi s 30 kWh. V današnjem času se zaradi zahtev po večji gostoti energije in okolju bolj prijaznih materialov v prenosnih napravah vse bolj uporabljajo metalhidridne baterije namesto nikelj-kadmijevih. Za uporabo v električnih vozilih se je metalhidridna tehnologija pokazala kot edina obstojna alternativa svinčevim kislim akumulatorjem. To je posledica izvrstnih skupnih karakteristik delovanja:

• specifična energija oz. gostota energije (80 Wh/kg, 240 Wh/l); • specifična moč (večja od 200 W/kg); • življenjska doba (100-kratno 100 % popolno praznenje); • temperatura okolice (od -30 °C do 70 °C); • hitro polnjenje (60 % v 15 minutah); • zatesnjenost, nepotrebno vzdrževanje; • odpornost proti prevelikim polnjenjem in prevelikim izpraznenjem; • temperatura delovanja enaka temperaturi okolice; • varni materiali, ki jih je možno reciklirati; • enostavna izdelava.

Metal-hidridne baterije so v začetku obravnavali kot “začasno tehnologijo”, za uporabo v prenosnih napravah in električnih vozilih, dokler ne bodo razvili bolj naprednih sistemov. Sedaj so metalhidridne baterije priznane kot potencialno najboljša dolgoročna tehnologija baterij, saj kaže, da je specifično energijo možno povečati na več kot 120 Wh/kg.

Sedaj potekajo raziskave naprednejših materialov in razvoj programov z ciljem, doseči specifično energijo 500 Wh/kg.

Razvoj zlitin s kovinskimi hidridi

Osnovna ovira v razvoju komercialnih metalhidridnih baterij so bile temeljne omejitve v materialu same zlitine s kovinskim hidridom. Zgodnji napori v razvoju zlitine so se osredotočili na sisteme z LaNi5 in TiNi. Zmožnost shranjevanja vodika v teh konvencionalnih sistemih z zlitinami s kovinskimi hidridi je bila skromna in imeli so relativno omejeno delovanje. Resnična omejitev je bila nestabilnost materiala elektrode


zaradi oksidacije in korozije. To je povzročilo obilo problemov, kot so npr. kratek življenjski cikel, visok notranji tlak plina in majhna moč.

Zmožnost shranjevanja sedanjih in prihodnjih “Ovonicovih” metal-hidridnih elektrod je prikazana na sliki 5.20, skupaj z zmožnostjo shranjevanja sedanjih in izboljšanih konvencionalnih elektrod iz LaNi5 in TiNi. Te materiale pogosto imenujejo “mischmetal” zlitine, saj so običajno narejene iz mešanice naravnih elementov redkih zemelj, ki lahko vsebujejo Ce, La, Nd in Pr.

0

100

200

300

400

500

600

prihodnjesedanje

Ovonic-ove celice LaNi5

specifična zmogljivost[Ah/kg]

Slika 5.20: Zmožnost shranjevanja sedanjih in prihodnjih “Ovonicovih” metal-hidridnih elektrod

Z uporabo zaščitenega načina obdelave neurejenih materialov je družbi Ovonic Battery Company uspelo izdelati zlitine s kovinskimi hidridi za optimizirano delovanje. Obsežne spremembe teh sistemov so omogočile razvoj npr. LaCePrNdCoMnAl zlitin v družini LaNi5 in VTiZrNiCrCoMnAlFe zlitin v družin TiNi.

Neurejeni materiali

Zahtevamo različne lastnosti zlitin s kovinskimi hidridi:

• zmožnost shranjevanja vodika; • odpornost na oksidacijo/korozijo; • rekombinacija plinov.

Multikomponentne, večfazne zlitine materialov dopuščajo proizvodnjo tehničnih zlitin s temi zahtevanimi lastnostmi in kompozicijsko ter strukturalno neurejenosto na lokalnem, vmesnem in širšem nivoju. Lokalni razpored, ki ima dimenzije nekaj najbližjih sosednjih atomov, bistveno povečuje število kemijsko aktivnih področij, s tem ko ponuja povečan izbor možnih vezav vodika za povečanje kapacitete in izboljšavo katalize. Vmesni nivo neurejenosti ima pomembno vlogo v strukturnih mejah večine zlitin in pri vmesniku elektroda/elektrolit. Širši nivo neurejenosti zagotavlja povečano shranjevanje vodika in izboljšano kinetiko. Neurejeni materiali so lahko amorfni, monokristalni in/ali polikristalni večfazni materiali.

Multikomponentne zlitine omogočajo niz zlitin za materiale elektrod, ki vsebujejo


elemente, ki bi bili v primeru samostojne uporabe nesprejemljivi zaradi termodinamičnih razlogov. Med elementi, ki so postali uporabni za sestavo zlitin v neurejenih materialih elektrod, so Li, C, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Sn, La, W in Re. Nekateri od teh elementov povečujejo število shranjenih vodikovih atomov (Mg, Ti, V, Zr, Nb in La). Ostali elementi omogočajo nastavitev moči vezi kovina-vodik (V, Mn in Zr) ali pa zagotavljajo katalitične lastnosti za zagotovitev zadostnega razmerja reakcije polnjenja in praznenja in rekombinacijo plinov (Al, Mn, Co, Fe in Ni). Preostali prinašajo zaželene površinske lastnosti kot odpornost na oksidacijo in korozijo, izboljšano poroznost ter elektronsko in ionsko prevodnost (Cr, Mo in W). Širok obseg fizikalnih in kemijskih lastnosti, ki jih je mogoče prirediti v teh zlitinah, dovoljuje optimiranje delovanja metalhidridnih baterij.

Zmogljivosti prenosnih baterij

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 4,03,53,0Zmogljivost [Ah]0,0

0,20,40,60,8

Napetost [V]

1,01,21,41,6

80 Wh/kg260 Wh/l

C/5

C/2C2C

3C

Slika 5.21: Odvisnost napetosti od zmogljivosti metalhidridnih R8 celic

Metal-hidridne baterije za prenosne naprave, kot so prenosni računalniki, prenosni telefoni in ostale naprave, se sedaj komercialno proizvajajo v različnih velikostih, R6. V primerjavi s prvo generacijo metalhidridnih R6 celic s kapaciteto 1000 mAh, specifično energijo 56 Wh/kg in gostoto energije 180 Wh/l, imajo naprednejše metalhidridne R6 celice sedaj kapaciteto 1200-1500 mAh ob specifični energiji 70-80 Wh/kg in gostoti energije od 240 do 260 Wh/l.

Kot je prikazano na sliki 5.22 za Goldpeakove metal-hidridne A8 celice, zagotavljajo te izboljšane baterije hranjenje velikih količin energije in izredno delovanje ob nepretrganem toku praznenja do 3C. Ta ista celica izvrstno deluje pri nizkotemperaturnih praznenjih. Kot je prikazano na sliki 5.23 zagotavlja ta celica pri -10 °C 93 % kapacitete, ki jo ima pri sobni temperaturi, pri toku praznenja C/5 in približno 50 % kapacitete, ki jo ima pri sobni temperaturi, pri toku praznenja C.

Družbi Ovonic Battery Company je uspelo občutno izboljšati življenjski cikel metal-hidridnih celic. Sedaj omogočajo Goldpeakove R8 celice 500 ciklov pri faktorju polnjenja C in popolnega praznenja. Kot je prikazano na sliki 5.24 za R6 celice so ciklične zmožnosti zelo odvisne od metode končnega polnjenja. Z uporabo vse bolj popularnih napetostno reguliranih polnilnikov je možno življenjske cikle dramatično zmanjšati zaradi


prezgodnje sprostitve kisika in posledično prezgodnje proizvodnje toplote.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 4,03,53,0

Zmogljivost [Ah]0,0

0,4

0,8

Napetost [V]

1,2

1,6

74 Wh/kg240 Wh/l

C/5

C/2C

Slika 5.22: Odvisnost napetosti od kapacitete metal-hidridnih celic pri -10 °C

3,0

2,0

1,0

0,08007006005004003002001000

Število ciklov

Zmogljivost [Ah]

Polnitev do 105 %Praznitev do 100 %

Slika 5.23: Življenski cikel “Ovonicovih” metalhidridnih celic pri končnem polnjenju z napetostno reguliranimi polnilniki

Kot je že bilo predstavljeno, so uspeli izboljšati zadrževanje naboja. Zmanjšali so samopraznitev iz 85 % izgub na 15 % izgube v 30 dneh pri sobni temperaturi. To jim je uspelo z izbiro pravilne zlitine, separatorja, sestavo anode in obdelavo. Zlitina, separator in anoda so relativno približno enako vplivali na te izboljšave. Koeficienti, ki so prispevali k izboljšanemu zadrževanju naboja so: nivo preostalih nitratov, majhna korozija vrst, škodljivih za stabilnost niklovega hidroksida, in uporaba nikelj-hidroksidnih aktivnih materialov, odpornih na zastrupljanje; separatorja, odpornega na razpad zaradi


izpostavljanja alkalnemu elektrolitu in vodiku, in zlitine s kovinskim hidridom z majhnim izenačenjem tlaka vodika. Meritve, ki so prikazane na sliki 5.25, so pokazale, da s kombiniranjem vseh teh vplivov pri projektiranju celic dosežemo dramatično zmanjšanje samopraznitev.

1,5

1,0

0,5

0,06005004003002001000

Zmogljivost [Ah]

Število ciklov

Polnitev do 105 %

Polnitev do -ΔV

Slika 5.24: Ciklične zmožnosti v odvisnosti od metode končnega polnjenja

Primerjava izboljšanih metalhidridnih baterij s primarnimi alkalnimi

Trenutne zmogljivosti metalhidridnih baterij ponujajo zanimivo primerjavo z lastnostmi primarnih alkalnih baterij. Kot je prikazano na sliki 5.28, je 1500 mAh metalhidridna R6 celica enakovredna glede na 2000 mAh Zn-MnO2 R4 celico pri praznenju z 200 mA. Pri večjih praznilnih razmerjih lahko metalhidridna baterija dejansko zagotovi večjo zmogljivost in s tem daljši čas delovanja naprave kot pa primarne alkalne baterije.

S stališča marketinga so okoliščine bolj zapletene. Metalhidridne baterije imajo naslednje prednosti v primerjavi s primarnimi alkalnimi baterijami:

• primerljiv ali pa daljši čas delovanja v mnogih aplikacijah, • ponovno polnjenje (več kot 500-krat), • ščasoma se stroški manjšajo.

Po drugi strani pa naletimo pri uporabi metalhidridnih baterij na ovire, kot so npr. višji začetni stroški (vključno s polnilcem) in potreba po izobraževanju uporabnika o področjih kot je samopraznitev. Metalhidridna baterija lahko s pridom izrablja prednosti polnilcev, originalno razvitih za NiCd baterije. Ti polnilci niso dragi in so zelo razširjeni v majhnih priročnih izvedbah, ki omogočajo hitro polnjenje. Verjetno je, da se bo trenutni trg, na katerem sedaj prevladujejo primarne alkalne baterije, razdelilo na primarne Zn-MnO2, obnovljive Zn-MnO2, primarne in sekundarne litijeve in metalhidridne baterije. Kot je razvidno iz razmerja med proizvajalci primarnih alkalnih baterij in metalhidridnih, je skoraj zagotovo, da bodo igrale metalhidridne baterije pomembno vlogo na tem tržišču.


0

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

500450400350300250200150100500

Zmogljivost [%]

Čas [h]

PanasonicOvonske “nove”

NiMH

Ovonske “stare”

Slika 5.25: Izboljšanje zadrževanja naboja metal-hidridnih celic

0

500

1000

1500

2000

2500

100 mA200 mA500 mA1000 mA

Ovonske Ni-MH Primarne alkalne

Zmogljivost [mAh]

Slika 5.26: Primerjava zmogljivosti metalhidridnih baterij z alkalnimi

Zmogljivosti baterij za električna vozila


Izvrstne splošne zmogljivosti, dosežene pri malih celicah, so se izkazale tudi pri izdelavi velikih akumulatorjev za električna vozila z uporabo celic s 25-250 Ah. V dejanskih razmerah vožnje po cesti so uspešno preizkusili baterije za električna vozila z 10 do 30 kWh. Ostali pomembni dosežki razvojnega programa baterij za električna vozila so:

• Specifično energijo so uspešno prenesli iz laboratorijskih modelov na dejanska električna vozila v popolnoma zatesnjenih celicah.

• Baterije za električna vozila v dejanski velikosti so predstavili v ZDA, na Japonskem, v Koreji, Hong Kongu in Singapuru.

• Na cestnem testu so z baterijo z 18 kWh prevozili 150 milj (okoli 240 km). • Prikazali so 15 minutno polnjenje (60 % kapacitete). • Prikazali so odpornost na regenerativno polnjenje. • Prikazali so izredne toplotne karakteristike v praktičnem električnem vozilu.

5.5 Obratovanje akumulatorjev

Napetost praznega teka (napetost galvanskega člena pri odprtih sponkah) polnega akumulatorja je vedno enaka, ne glede na velikost člena in je odvisna le od vrste člena. Napetost praznega teka je zelo blizu teoretične napetosti člena, ki je odvisna od aktivnih snovi elektrod, sestave elektrolita in temperature. Pri svinčevem akumulatorju je to 2,1 V, pri alkalnem pa 1,2 V. Nazivna napetost je splošno privzeta kot tipična obratovalna napetost člena. Zaradi razlike v napetosti je potrebno pet alkalnih členov, da se nadomestijo trije svinčevi.

Delovna napetost ob obremenitvi je bolj reprezentativna (med 1,8 in 2 V), prav tako srednja napetost, ki je povprečna napetost v času praznenja. Končna napetost je napetost ob koncu praznenja, med katerim smo pretvorili večino energije. Pri svinčevem akumulatorju je to 1,75 V pri zmernih obremenitvah oziroma 1,5 V pri zaganjanju. Med polnjenjem je napetost med 2,3 in 2,8 V.

Zmogljivost svinčevih akumulatorjev je večja pri manjših tokovih in daljših časih praznenja. Običajno so zato podane zmogljivosti za posamezne čase praznenja. Slika 5.27 kaže družine krivulj napetosti med praznenjem in polnjenjem za tipičen svinčev akumulator pri stalnih tokih praznenja. Splošno je tok praznenja ali polnjenja označen kot razmerje zmogljivosti C [Ah] in števila ur trajanja procesa N [h] :

[ ]ICN

A= .

Zmogljivost je odvisna od količine aktivne snovi, njene poroznosti in površine. Glavni proizvod pri praznenju je na obeh elektrodah svinčev sulfat, ki ima veliko električno upornost. Svinčev sulfat polarizira aktivne snovi in z mašenjem por onemogoča elektrolitu dostop do reakcijskih področij.

Tako so za


a) stacionarne baterije svinčevega tipa najprimernejše elektrode (mreže) z zelo veliko površino, ki je prevlečena z aktivno snovjo;

b) za startne baterije je najbolje uporabiti veliko število relativno tankih ploščic (iz paste);

c) za vleko, kjer so običajno nižji tokovi, uporabljajo debelejše plošče z gosto aktivno snovjo.

Življenjska doba člena je odvisna od načina uporabe. Proizvajalci posebej navajajo življenjsko dobo pred prvo uporabo (za rezervna napajanja), ki je običajno označena kot možni čas skladiščenja. Med urami obratovanja in velikostjo toka praznenja pri normalni uporabi je dvojna logaritemska odvisnost (In⋅t = konst.). Tretji podatek, ki ga navajajo proizvajalci, pa je število ciklov praznenja in polnjenja v odvisnosti od stopnje praznenja (slika 5.28).

0 2 4 6 8 10 12 251614Čas polnjenja [ure]2,0

2,2

2,4

2,6

2,80

3,0

Napetost celice [V]

0 0,5 1 2 3 4 5 109876

Čas praznenja [ure]1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

Napetost celice [V]

Slika 5.27: Napetost med polnjenjem in praznenjem pri različnih tokih

Preglednica 5.4: Srednja napetost svinčevega člena ob različnih časih praznenja


čas praznenja (h) 10 7,5 5,0 3,0 2,0 1,0 0,5

tok (A) 11 14 19 29 40 65 118

srednja napetost (V) 2,0 2,0 1,89 1,94 1,90 1,84 1,70

zmogljivost (Ah) 110 105 96 88 79 65 59

energija (Wh) 220 210 190 170 150 120 100

0 1000 2000 3000 4000 5000Število ciklov

100

80

60

40

20

0

Izpraznitev [%]

Startni akumulatorji

Industrijski akumulatorji

Slika 5.28: Življenjska doba akumulatorja v odvisnosti od stopnje izpraznitve


LITERATURA




[4] F. Lazarini, J. Brenčič, Splošna in anorganska kemija, Ljubljana 1992

[5] Propagandni material tovarne akumulatorjev VESNA, Einspielerjeva ul. 31, Maribor

[6] Propagandni material tovarne akumulatorjev MEŽICA, Koroška c. 49, Maribor

[7] V. Bego, Električna mjerenja, Tehnična enciklopedija III, Zagreb 1969

[8] R. Podhorsky, Elektrokemija, Tehnična enciklopedija IV, Zagreb 1973


6. GORIVNE CELICE

Galvanski člen je najstarejša naprava za proizvodnjo električne energije. Pri kemični reakciji osvobojena energija se v njem neposredno pretvarja v električno energijo. To se dogaja toliko časa, dokler niso porabljene aktivne snovi, ki so bile vnešene v tovarni v času proizvodnje. Pri obrnljivih členih je možno aktivne snovi reaktivirati s polnjenjem. Ob dovajanju kisika in vodika platinastim elektrodam v elektrolitu pa lahko kontinuirano pretvarjamo kemično energijo v električno. Takšni napravi pravimo člen na gorivo (gorivna celica). V njej lahko potekajo različni procesi, ki dajejo različne potencialne razlike:

Preglednica 6.1: Možne kemične reakcije v gorivnih celicah

vodik - kisik 1,23 V 2H2 + O2 → 2H2O

hidrazin - kisik 1,56 V N2H4 + O2 → 2H2O + N2

ogljik - kisik 1,02 V C + O2 → CO2

metan - kisik 1,05 V CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Raziskovalci že 150 let iščejo način, kako bi gorljiv plin spremenili v čisto energijo brez plamena in brez stroja, ki bi del energije porabil za trenje. Končno (od 1960) so pred nami otipljivi izsledki prizadevanj. Uspešno so bile preizkušene številne gorivne celice. Prvi avto, opremljen s tako celico, je prevozil že 400.000 kilometrov.

Gorivna celica je naprava oziroma elektrokemični element, ki kontinuirano transformira kemično energijo goriva in oksidacijskega sredstva v električno energijo. Sestavljena je iz dveh elektrod med katerima je elektrolit. Gorivna celica je načeloma galvanski člen, kateremu se snovi, ki sodelujejo v kemičnih reakcijah, trajno dovajajo. Zato je tudi njena funkcija časovno neomejena. Teoretično so njeni izkoristki do 100 %, praktično pa je ta izkoristek nedosegljiv. Danes se izkoristki gorivnih celic gibljejo od 50 do 60 %, ponekod tudi od 70 do 80 %. Idealna gorivna celica bi morala delati pri nizki temperaturi z gorivom, ki je proizvod uplinjevanja premoga, ali z ogljikovodiki. Oksidant bi naj bil zrak, elektrodi pa bi morali biti poceni in iz dostopnega materiala.

6.1 Osnove kemijskih reakcij v gorivnih celicah

Elektrarna s členi na gorivo ima najmanj tri osnovne podsisteme (slika 6.1):

• Proizvodna enota ima enega ali več nizov členov na gorivo (vsak niz ima več členov vezanih zaporedno) in tako da od nekaj voltov do nekaj sto voltov (enosmernega toka). Ta enota pretvarja goriva in oksidant v enosmerni vir električne energije.

122 Gorivne celice

• Enota za gorivo napaja proizvodno enoto z gorivom. Ta enota je lahko preprosta enota za kontrolo in vodenje pretokov, lahko pa je tudi kompleksna naprava za pripravo goriva, ki preoblikuje gorivo v takšno vrsto, kot jo zahtevamo za uporabo v gorivnem členu.

• Pretvornik preoblikuje izhod iz proizvodne enote v takšno vrsto in kakovost električne energije, kot jo zahtevamo za uporabo. Ta podsistem je lahko preprosta napetostna regulacija ali pa zahteven enosmerno-izmenični pretvornik.

pretvornikgorivnacelica

proizvodnaenota

zrak

enosmernaenergija

izmeničnaenergija

toplota

voda

vodik

vodik

naravni plinin drugagoriva

Slika 6.1: Poenostavljena shema elektrarne s členi na gorivo

Kemijska reakcija med vodikom in kisikom ne nastane samo z enostavnim mešanjem teh dveh elementov, ampak morajo pred reakcijo udeleženci v reakciji (reaktanti) doseči določen energijski nivo. Potrebna energija se jim dovaja v obliki toplote, električne ali svetlobne energije. Energija, pri kateri začnejo materiali kemično reagirati, se imenuje energija aktiviranja. Potrebna energija aktiviranja se lahko zmanjša z uporabo katalizatorjev, ki pospešujejo kemijsko reakcijo, vendar v njej ne sodelujejo.

Pri gorivni celici z vodikom in kisikom se dogaja naslednje: vodik dovajamo katodi, kisik pa anodi. Vodik reagira s katodo tako, da del vodikovih molekul odda po en elektron atomu materiala katode.

Vodik postane pozitivno nabit. Od materiala katode je odvisno, ali bo katoda lahko prevzela elektrone iz vodika. Najboljši materiali so platina, paladij in nikelj. Pozitivni ioni vodika se nabirajo okoli negativno nabite katode. Na anodi se ob prisotnosti vode ustvarjajo negativni hidroksidni ioni (OH-), material anode pa odda en elektron.Tudi tu je zelo pomembno, iz kakšnega materiala je anoda. Zelo malo naravnih materialov omogoča ustvarjanje iona OH- s pomočjo kisika (srebro, zlato, platina, nikelj).

Za prehod H+ ali OH- z ene na drugo elektrodo moramo imeti za elektrolit vodno raztopino baze ali kisline. Če je elektrolit baza, so v vodi disociirani ioni OH-. Reakcije so :

anoda: H2 → 2H+ + 2e-

katoda: 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O

skupna: H2 + 1/2 O2 → H2O


Oznaka e- označuje prosti elektron. Ioni H+ in OH- se vežejo v vodo. Elektron, ki je bil prevzet iz materiala katode, pa se osvobaja te vezi, ker ni več pozitivno nabitega vodika. Ta elektron odhaja na anodo preko zunanjega upora.

Material anode prevzame prosti elektron in ponovno postane električno nevtralen, negativno nabiti ion OH- pa prehaja na katodo. Na ta način po spremembah na anodi in katodi preidejo materiali obeh elektrod v začetno stanje. Ko se elektrodi vrneta v začetno stanje se proces ponovi.

Kadar je elektrolit vodna raztopina kisline, se na katodi osvobodi elektron, ki je nastal iz vodika. Ta elektron prehaja preko zunanjega upora na anodo, na kateri je že prišlo do reakcije. Pozitivno nabiti H+ in elektron reagirata na anodi.

anoda: H2 + 2OH- → 2H2O + 2e-

katoda: 1/2 O2 + 2 e- + H2O → 2OH-

skupna: H2 + 1/2 O2 → H2O

Spet je končni proizvod voda ter električno nevtralna materiala katode in anode.

elektrolitH2SO4

2e-

R

2e-

O2

katoda1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2OH2 → 2H+ + 2e-

anoda2H+

H2

ločilnik

Slika 6.2: Shematski prikaz reakcije v členu na H2/O2

124 Gorivne celice

Da bi se obdržala kontinuirana pretvorba kemijske energije v električno, morajo biti izpolnjeni določeni pogoji:

• Gorivna celica mora biti zgrajena tako, da aktivne snovi pridejo do mesta, kjer je možna kemijska reakcija.

• Kemijska reakcija se mora odvijati hitro. To zahteva uporabo katalizatorja, saj se s tem zmanjša energija aktiviranja.

• Proizvodi reakcije se iz mesta reakcije odstranijo, da ne omejujejo kontinuiranega toka reakcije.

• Električni tok, ki nastane z osvobajanjem in vezanjem elektronov v času kemijske reakcije, vodimo skozi zunanji tokovni krog, v katerem se pretvori v koristno obliko energije.

6.2 Pretvorba kemijske energije v električno energijo

Proces v gorivni celici ni nič drugega kot ponovljiva kemijska reakcija, kjer teče električni tok zaradi spremembe entalpije pri kemijskih reakcijah. Zveza med pretočenim električnim nabojem med elektrodama in spremembo entalpije pri reakciji (na kilomol) je:

ΔG = z⋅F⋅U,

kjer je z število elektronov osvobojenih na molekulo v kemijski reakciji, U je elektrokemijski potencial, ki se pojavlja med elektrodama, F je elektrokemijski ekvivalent. Ta ekvivalent je Faradayeva konstanta, ki je definirana z zmnožkom naboja elektrona (1,602⋅10-19 As) in številom molekul v kilomolu (6,023⋅1026) ter znaša približno 9,65⋅107 As/kmol.

Pri členu, ki ima vodik kot gorivo in kisik kot oksidacijsko sredstvo, znaša reverzibilna napetost 1,23 V. Napetost na celici je enaka elektrokemijskemu potencialu U samo takrat, kadar teče proces popolnoma obrnljivo (reverzibilno), kar pa pri realni gorivni celici ni izpolnjeno. Zaradi tega je napetost na sponkah manjša in upada z gostoto toka (slika 6.3). Vzrokov tega padca napetosti je več. Padec napetosti nastane najprej zaradi zmanjšane koncentracije aktivnega materiala v neposredni bližini elektrode, saj molekule reaktanta niso enolično razporejene po površini elektrode. To omejuje napetost celice.

Zmanjšanje napetosti (Uc na sliki 6.3) je tem večje, čim večja je gostota toka. V gorivni celici vodik-kisik nastane vodikov peroksid (H2O2) kot intermediat pred spajanjem vodika in kisika v vodo. Razen tega je za elektrokemijsko reakcijo potrebna tudi energija. Ta je odvisna od materiala elektrode in katalizatorja. Skupni padec napetosti zaradi teh pojavov (Um) ni močno odvisen od gostote toka. Končno zmanjšanje napetosti povzroči še padec napetosti na notranjem uporu gorivne celice. Ta je označen z Ur in je proporcionalen toku. Napetost Ug na sponkah gorivne celice je torej:

Ug = U - (Uc + Um + Ur)

in upada s povečanjem gostote električnega toka.


Uc

Ur

Um

Ug

U

0,70

0,80

0,90

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

0,10

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

00 100 200 300 400 500

j [A/m2]

ηg

U [V]

0,83

Slika 6.3: Primer gorivne celice vodik-kisik; Ug je napetost na sponkah gorivne celice

1,0

0,75

0,500,40

0,25

0,0

250

150

100

200

50

0

0 100 200 300 400 500

j [A/m2]

p

η

ηgpg [W/m2]

Slika 6.4: Karakteristika moči pg in ηg gorivne celice

126 Gorivne celice

Odvisnost napetosti od toka je prikazana s tokovno karakteristiko, ki je hkrati karakteristika stopnje delovanja gorivne celice. Pri gorivnih celicah je važno razmerje med napetostjo na sponkah in elektrokemijskim potencialom:

ηggU

U=

Vrednost ηg je razvidna s slik 6.3 in 6.4. Zmnožek napetosti na sponkah gorivne celice Ug in toka na enoto površine elektrode j predstavlja moč na enoto površine pg.

6.3 Izvedbe in uporaba gorivnih celic

Veliko tipov gorivnih celic je še vedno v fazi raziskav. Tipe gorivnih celic pogosto razdelimo po delovnih temperaturah. V teh skupinah se gorivne celice razlikujejo po gorivu, oksidacijskem sredstvu in materialu elektrod. Doslej so bili v postopku raziskav naslednji tipi celic:

• gorivne celice nizkih temperatur (do 100 °C): H2 - O2 celice s kovinskimi elektrodami, H2 - O2 celice z elektrodami iz ogljika, H2 - O2 celice z elektrolitom v obliki membrane;

• gorivne celice srednjih temperatur (150-250 °C): H2 - O2 celice pri visokem tlaku, H2 - O2 celice z visoko koncentriranim kalijevim lugom (KOH) kot elektrolitom;

• gorivne celice visokih temperatur (500 °C in več): ogljikovodiki - O2 , ogljikovodiki - zrak.

Razen tega so raziskovali gorivne celice z alkalijskimi kovinami in celice, v katerih so poskušali izkoriščati biokemijske procese iz narave.

V nizko temperaturnih gorivnih celicah vodik-kisik s kovinskimi elektrodami moramo uporabiti kovine, ki delujejo kot katalizatorji (platina, paladij in srebro), vendar so ti materiali zelo dragi. V gorivnih celicah z membrano je elektrolit v membrani iz organskih materialov. Napetost na sponkah je 0,5 V ob gostoti toka 1000 A/m2.

Uporaba ogljikovodika kot goriva v nizkotemperaturnih celicah povzroča težave, nastajajo karbonati, ki zmanjšujejo prevodnost elektrolita. Te težave izginejo, če za elektrolit uporabimo kislino, ker se tedaj ogljikov dioksid pojavlja v elektrolitu v obliki mehurčkov ali odhaja z vodo iz gorivne celice. Dobro tokovno karakteristiko dosežemo z uporabo fosforjeve kisline. Dosedanje raziskave so pokazale, da z uporabo ogljikovodikov (metan, propan, etilen) kot goriva dobimo neustrezne tokovne karakteristike (nagli padec napetosti s porastom gostote toka). Boljše izide so dosegli z anodo iz nikljevega borida, etilenom kot gorivom, oksidacijskim sredstvom kisik ali z gorivom metanol (CH3OH) z zrakom kot oksidacijskim sredstvom ter z žveplovo kislino kot elektrolitom.

Da se izognemo uporabi plemenitih kovin kot katalizatorja, uporabimo gorivne celice


vodik-kisik z delovnimi temperaturami od 150 do 250 °C v katerih so elektrode iz poroznega niklja. V takšnih celicah napetost raste s povečanjem koncentracije elektrolita (KOH) in s povečanjem tlaka. Na izboljšanje delovne karakteristike najbolj vpliva povišana temperatura.

V visoko temperaturnih celicah se uporablja trdi elektrolit in zmesi cirkonijevega dioksida (ZrO2) in kalcijevega oksida (CaO). Specifična upornost takega elektrolita s temperaturo hitro upada. Delovna karakteristika je tembolj ugodna, čim višja je temperatura. Gorivo je lahko zmes metana in vodne pare. V takem primeru ima gorivna celica zadovoljivo tokovno karakteristiko ob delovni temperaturi, ki znaša 1000 °C. Elektrode so iz platine. Relativno visok potencial (1,96 V) dosežemo z “zgorevanjem” natrija po enačbi:

4Na + O2 + 2H2O → 4NaOH

Še višji potenciali pa se dosežejo v celicah barij-kisik (3,3 V) in barij-klor (4,26 V), v katerih je gorivo barij. Pri gorivnih celicah s hidrazinom (N2H4) kot gorivom je prednost ta, da dragi katalizatorji (nikelj, nikljev borid) niso potrebni. Slabost teh celic je v tem, da je hidrazin drag in strupen. Ob napetosti na sponkah, ki znaša 0,7 V, dosežemo gostoto toka 2000 A/m2 pri temperaturi 70 °C.

Visoko temperaturne celice imajo oznake:

• MCFC gorivne celice (Molten Carbonat Fuel Cell), kjer nastopa kot elektrolit talina karbonata (delujejo pri 650 °C),

• SOFC gorivne celice (Solid Oxyd Fuel Cell), s trdnim oksidnim elektrolitom (delujejo pri 800-1000 °C).

Nadalje imamo srednje temperaturne gorivne celice, ki delujejo pri 250 °C in tlaku, višjem od 40 barov. Gorivo je vodik, elektrolit pa kislina ali baza. Take so npr. fosforjeve gorivne celice (PAFC - Phosporic Acid Fuel Cell), ki jih uporabljajo Američani.

Nizko temperaturne celice uporabljajo kot elektrolit žveplovo kislino, kalijev lug ali membrano na podlagi ionske izmenjave. Delujejo pri temperaturah pod 100 °C. Take so alkalne celice (AFC - Alkaline Fuel Cell), ki jih vgrajujejo v satelite.

Raziskave zadnjega desetletja so bile tako uspešne, da že obstajajo učinkovite prototipne enote v različnih oblikah: kot priročen agregat za nekaj kW ali kot večji objekt z 200 in več kW. Gorivna celica ima celo vrsto prednosti pred klasičnimi toplotnimi pretvorniki energije. Naštejmo jih le nekaj: praktično ne oddaja škodljivih snovi, oddaja 20-60 % manj ogljikovega dioksida, ne razvija prahu in ne povzroča niti hrupa niti tresljajev, ima odlično stopnjo izkoristka (30-50 % več kot klasični pretvorniki), čeprav je le delno obremenjena. Stopnja učinka gorivnih celic je zelo velika. Obstaja mnenje, da bodo izkoristki presegli 80 % in ker se vstopne snovi tako dobro izkoristijo, se pojavlja tudi manj škodljivih stranskih snovi.

Ob takšnih “slavospevih” se postavlja vprašanje, zakaj se te celice še niso bolj na široko uveljavile kot vir električne energije za električne avtomobile, prenosne telefone, gospodinjske aparate, oskrbo enodružinskih hiš ali manjših naselij z električnim tokom. Res je, da do pred kratkim še ni bilo večjih otipljivih izsledkov.

Naslednje je vprašanje dragocenih kovin (platine) za elektrode. Treba je najti cenejše in dostopnejše materiale. Drage celice so se zato obdržale le tam, kjer denar ni vprašanje, to je predvsem v vesoljski tehniki. Na tem področju so se alkalne gorivne celice uspešno obnesle: zdržale so že več kot 10.000 delovnih ur v programih Apollo, Sky Lab in drugje.

128 Gorivne celice

Tudi evropski satelit Hermes se lahko pohvali z alkalno gorivno celico tovarne Varta.

Ameriška NASA je pri raziskavah šla še naprej: razvija celice, v katerih bi se gorivo obnavljalo (RFCS - Regenerative Fuel Cell System). Odpadna snov gorivnih celic (voda), ki bi z elektrolizo razpadla v vodik in kisik, bi se vračala v celico. Seveda to ne bi bil perpetuum mobile, saj bi energijo za elektrolizo dajale posebne sončne celice.

Pri visoko temperaturnih celicah pomeni težavo tudi konstrukcijski material; samo nekatere snovi so kos takšnim temperaturam. Posebna elektroprevodna keramika bi lahko nadomestila drage kovine. Raziskovalcem inštituta družbe Asea-Brown-Bovery iz Heidelberga je na podlagi tankoplastne tehnologije uspelo izdelati kot kožo tanke plinotesne keramične membrane. Plast cirkonijevega in itrijevega oksida se je izkazala kot idealni medij za hitro izmenjavo. Pri tej družbi uporabljajo gorivne celice v obliki cevi. V doglednem času nameravajo izdelati kompaktni agregat v velikosti hladilnika z močjo 3 kW. Sestavljen bo iz šopa cevastih gorivnih celic in toplotnega menjalnika. V naslednjih nekaj letih nameravajo s takimi agregati z močjo 200 kW opremiti hotele in poslovne stavbe. Zagotavljali naj bi energijo za prezračevalne naprave in oskrbovali stavbo s toplo vodo. Upajo, da bo po letu 2000 samo v Evropi mogoče prodati vsako leto za nekaj gigavatov moči gorivnih celic.

Tehnologija gorivnih celic na Japonskem

PAFC gorivne celice so razpoznavne kot najbolj napredne do danes. Nekaj PAFC gorivnih celic, velikosti od nekaj kW do nekaj MW, je že sestavljenih. Največ jih uporabljajo v ZDA, Evropi in na Japonskem. Raziskovalna dela na PAFC gorivnih celicah so se pričela v ZDA v zgodnjih sedemdesetih letih. Skozi obsežen demonstrativni program imenovan TARGET (Team za pospešeno raziskovanje energetske transformacije) v poznih sedemdesetih letih in GRI/DOE projekt (Inštitut za plinsko raziskovanje/oddelek za energetski projekt) v srednjih osemdesetih letih je bil postavljen osnovni koncept PAFC gorivnih celic.

Naftna kriza leta 1973 in presenetljiv napredek projekta TARGET ter GRI/DOE v ZDA so Japonsko vlado prisilili, da je pričela z večjim nacionalnim programom, imenovanim projekt“MOONLIGHT”. Ta program se je osredotočil na tehnologijo, ki temelji na varčevanju z energijo. Presežek, dobljen s privarčevano energijo, je zelo koristen in predvsem to dejstvo pritiska na Japonsko vlado, da hitreje spoznava pomen gorivnih celic. V teh okoliščinah je leta 1990 MITI (Ministrstvo za internacionalno trgovino in industrijo) izdelalo projekt z naslovom: “Dolgoročni vidiki oskrbe in dobave električne energije” (“The Long Term Energy Supply and Demand Prospect”), s pričakovanjem, da bi bilo leta 2000 inštalirano približno 2200 MW in leta 2010 približno 10.700 MW elektrarn z gorivnimi celicami. Glavni delež te energije bi zagotovili s PAFC gorivnimi celicami.

Na svetu so postavili osem PAFC elektrarn za demonstracije, od tega šest na Japonskem. Z njimi so prikazali možne koristi pri tovrstni proizvodnji električne energije. Največja elektrarna s PAFC opremo ima zmogljivost 11 MW in deluje od leta 1991. Proizvajalec te opreme je Toshiba. Vso PAFC opremo pa so odstranili, ko so bile zaključene njene demonstrativne akcije. Glavni proizvajalci PAFC opreme v svetu so Toshiba, Fuji Electric in IFC (ZDA). Fuji Electric proizvaja 50 kW, 100 kW, 200 kW in 500 kW PAFC gorivne celice in jih dobavlja za vse demonstracije, ki potekajo v svetu. Toshiba pa v kooperaciji z IFC in ONSI proizvaja 200 kW PAFC gorivne celice in jih dobavlja samo za demonstracije, ki potekajo na Japonskem. V ZDA se veliko dela na tem, da bi PAFC


gorivne celice naredili primerne za uporabo za transport.

Še vedno so potrebne raziskave PAFC gorivnih celic glede trpežnosti in zanesljivosti. Za uspešno komercializacijo, ki bi se naj začela še v tem desetletju, je bistvenega pomena zmanjšanje stroškov za dolgoročno stabilno delovanje. V zadnjem času Japonska vlada, javna podjetja in proizvajalci opreme še močneje sodelujejo med seboj na področju razvoja in še povečujejo sredstva za osnovne raziskave in pospeševanje industrijskega razvoja. Takšna dodatna vlaganja kot kaže že prinašajo sadove in so pripomogla k obnovljenemu zaupanju v Japonsko skupnost, ki se ukvarja z gorivnimi celicami.

Glavni pomen elektrarn na gorivne celice je njen neznaten vpliv na okolje. Svetovno razširjeno gibanje za čisto ozračje, ki je v zadnjem času čedalje bolj aktivno, je v znatni meri povečalo pomen razvoja gorivnih celic.

Čeprav so PAFC sistemi zelo pomembni, ostajajo vprašanja stroškov in zanesljivosti še vedno v ospredju. Ciljni stroški, ki bi bili konkurenčni konvencionalnim elektrarnam, se gibljejo okoli 1800 ameriških dolarjev/kW pri manjših obratih in okoli 1000 ameriških dolarjev/kW pri večjih obratih in jih danes ni mogoče doseči.

Enoletne izkušnje obratovanja ONSI gorivne celice

Avstrijska družba Austria Ferngas - GesmbH (AFG) je leta 1991 kupila gorivno celico PC-25 od podjetja ONSI Corp. in jo namestila v plinarni Simmering. Gorivna celica PC-25 je v obratovanju od januarja 1993. V tem času je bila izpostavljena različnim preizkusom. Ugotovili so, da vsi dosedaj zbrani meritveni podatki in podatki o zmogljivosti gorivne celice ustrezajo podatkom proizvajalcev oziroma so v večini primerov celo bistveno boljši.

Gorivna celica predstavlja zelo obetajočo tehnologijo v toplarnah za ogrevanje blokov. Oddajanje škodljivih snovi je izredno nizko, celica pa tudi v področju delne obremenitve obdrži visoko stopnjo električne učinkovitosti.

Na dosedanje praktične izkušnje v obratovanju z gorivno celico PC-25 lahko gledajo zelo pozitivno. Izmenjava misli o obratovalnih izkušnjah z drugimi evropskimi kupci teh naprav še manjka. Dokončna sodba oziroma mnenje o razpoložljivosti, obnašanju in stopnji učinkovitosti te gorivne celice bo možna šele čez leto ali dve, ko bodo izkušnje o obratovanju te celice širše in celoviteje pridobljene.

Preglednica 6.2: Primerjava dejanske emisije gorivne celice s pogodbenimi vrednostmi

PC-25 izmerjeno

(mg/m3)

PC-25 zagotovljeno

(mg/m3)

CO 5,7 62 - 123

NOX 3,1 31 - 62

130 Gorivne celice

0

20

40

60

80

100

120

140

CO

NOx

PC-25izmerjeno

PC-25zagotovljeno

Emisija [mg/m3]

Slika 6.5: Primerjava emisije gorivne celice (5 % O2)

Gorivne celice v transportu

S pravo senzacijo so se junija leta 1989 pojavili raziskovalci American Academy of Science - predstavili so električni avtomobil, ki ga poganja gorivna celica. V ford fiesto so vgradili gorivno celico s fosforjevo kislino v velikosti vedra, ki uporablja kot gorivo vodik. Ena polnitev rezervoarja, ki tehta 120 kg, zadošča za 500 km vožnje. Rezervoar napolnijo v petih minutah, če pa slučajno pri roki ni vodika, ima vozilo tudi elektrolizno napravo. Treba jo je le priključiti na električni tok in sama napolni rezervoar z vodikom, ki ga dobi iz procesa elektrolize. Gorivna celica razvije toliko energije, da zmore avto hitrost 130 km/h. Vozilo je uspešno prevozilo 400.000 km in že vkratkem bo v prodaji za približno 60.000 DEM. Cela vrsta avtomobilskih proizvajalcev, med njimi tudi General Motors, bo v prihodnjih letih pričela vgrajevati celico v svoja vozila.

Kaže torej, da dolgoletno in truda polno delo številnih raziskovalcev po svetu ni bilo zaman in da bomo na pragu tisočletja že lahko dokaj na široko uporabljali ta okolju prijazen vir energije. Sodelovanje številnih nemških, ameriških in japonskih vodilnih družb je zanesljiv porok, da doseženi uspehi ne bodo ostali v laboratorijih.

V prihodnosti lahko pričakujemo, da bo oskrba z električno energijo temeljila na električni energiji, proizvedeni z gorivnimi celicami.


gorivna celica

dieselski agregat

bencinski agregat

plinska in parna turbina

103 104 105 106 107 108P [W]

1090

20

40

60

80

100

Učinek [%]

Slika 6.6: Stopnja učinka pridobivanja električne energije iz različnih virov

Če bi uspešno zagotovili veliko proizvodnjo vodika z izkoriščanjem energije sevanja sonca, bi bilo mogoče sestaviti elektroenergetski sistem, ki bi bil sestavljen iz velikih naprav za elektrolizo vode, ki bi s pomočjo energije iz sončnih celic proizvajale vodik. Takšen elektroenergetski sistem bi bil sestavljen iz večjega števila gorivnih celic, ki bi s svojo proizvodnjo oskrbovale manjše skupine porabnikov električne energije. Tako bi bilo mogoče v vsako hišo postaviti gorivno celico, ki ne bi potrebovala nobenega nadzora, saj nima gibljivih delov in deluje brezšumno. Gorivne celice bi morale biti priključene na plinsko omrežje, ki bi služilo za dovod vodika. To bi zahtevalo izgradnjo zelo gostega plinovodnega omrežja. S tem bi bili izločeni vsi daljnovodi in distribucijska električna omrežja.

132 Gorivne celice

LITERATURA



[3] F. Lazarini, J. Brenčič, Splošna in anorganska kemija, Ljubljana 1992

[4] E. Wilberg, Anorganska kemija, Školska knjiga, Zagreb 1976

[5] H. Požar, Osnove energetike - treči svezak, Školska knjiga, Zagreb 1992

[6] Ullman’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, volume A13, 1989

[7] Ullmans Enciclopädie der Technichen Chemie, Band 24, Verlag Chemie GmbH, Weinheim 1989

[8] Kirk-Othmer, Encyclopedia of chemical technology, 1980

[9] C. A. McAuliffe, Hydrogen and Energy, University of Manchester Institute of Science and Technology, Manchester, United Kingdom 1980

[10] T. N. Veziroglu, F. Barbir, Hydrogen: The Wonder Fuel, Clean Energy Research Institute, University of Miami, Coral Gables, USA 1992

[11] R. Ewald, M. Kesten, Cryogenic Equipment of Liquid Hydrogen Powered Automobiles, Advances in Criogenic Engineering, vol. 35, publ. by plenum 1990

[12] V. Zupan, Gorivna celica-energija prihodnosti, Življenje in tehnika, december 1989, Povzeto po reviji Bild der Wissenschaft

[13] R. Anahara, Fuel Cel Technologies in Japan, Secretary General Fuell Cell Development Information Centre, Tokyo, 4th Symposium Energieinnovation in der Elektrizitätwirtschaft und Elektroindustrie, Messe Klagenfurt 20. - 21. 1. 1994

[14] A. Fehringer, Einjahrige Betriebserfahrung mit einer Onsi - Brennstoffzelle, 4th Symposium Energieinnovation Energieinnovation in der Elektrizitätwirtschaft und Elektroindustrie, Messe Klagenfurt 20. - 21. 1. 1994

[15] W. Hoagland, S. Leach, Future Directions for the U.S. Hydrogen Program, National Renewable Energy Laboratory Golden, Colorado, Solar Energy Tecnology - 1992 American Society of Mechanical Engineers, Solar Energie Division Sed, 13. Publ. by Asme, New York 1992

[16] H. K. Abbel, Storage and Transport of Solar Energy on a Massive Scale. The Hydrogen Option, Department of Chemical Engineering, King Fahd University of Petroleum und Minerals, Dhahran 3162, Saudi Arabia 1992

[17] Leksikon Cankarjeve založbe - kemija, Cankarjeva založba, Ljubljana 1976


7. GEOTERMALNA ENERGIJA

Zemlja je za razliko od valovanja ali vetra skoraj neomejen stalen vir toplote. Za izrabo sta možni dve tehnologiji: izraba obstoječih termalnih vrelcev ali črpanje toplote (iz vročih, nepropustnih skal) iz globin. Prvi način je že dobro uveljavljen, drugi je na stopnji raziskav.

Čeprav prihaja voda oziroma para ponekod po naravni poti na površino, so za veliko porabo potrebne vrtine do 3000 m globine. Parametri pare oziroma vode so: 200 do 300 °C pri tlaku do 30 barov. Od vrelca vodijo do 1 m premera veliki cevovodi nekaj km daleč do elektrarne. Para prihaja večkrat iz različnih vrtin, zato jo porabljajo v več stopnjah v kaskadah. Običajno je možno uporabiti paro neposredno. Edini večji motor, ki je potreben, je črpalka za hladilno vodo. Zaradi nizkega tlaka je termični izkoristek majhen (10-15 %), so pa na razpolago velike količine odpadne toplote.

Toploto iz vrelcev pri nižjih temperaturah je mogoče uporabiti za centralno ogrevanje ali v kmetijstvu.

Čeprav se je geotermalna energija že stoletja uporabljala v kopališčih in za ostale majhne porabnike, se je šele v tem stoletju začelo večje izkoriščanje geotermalne energije. Električno energijo so iz geotermalne energije prvič proizvedli leta 1904 v kraju Larderello v Italiji, kjer se je leta 1913 začela tudi proizvodnja električne energije za industrijske potrebe. Geotermalna energija je bila prvič uporabljena za ogrevanje mestnega območja mesta Reykjavíka na Islandiji v letu 1930. Od takrat je uporaba geotermalne energije skoraj neprestano naraščala, v zadnjih 40 letih pa je doživela strm vzpon, tako pri izkoriščanju geotermalne energije za proizvodnjo električne energije, kakor tudi pri neposredni uporabi geotermalne toplote (naprimer za ogrevanje hiš ali pa za industrijske procese). Ponekod se izvaja tudi sočasna izraba električne energije in toplote, kar izgleda zelo ekonomsko upravičeno.

Izkoriščanje geotermalnih virov

Današnja poročila ločijo med uporabo geotermalne energije za proizvodnjo električne energije in med primeri, kjer se geotermalna toplota uporablja neposredno.

Skupna inštalirana moč za proizvodnjo električne energije je 6456 MW v primerjavi z 8783 MW za neposredno uporabo. Do podobnih vrednosti pridemo, če primerjamo proizvedeno in porabljeno energijo. Letno se v geotermalnih elektrarnah proizvede okoli 38 TWh, medtem ko letna neposredna uporaba toplote znaša 36 TWh. Glavni razlog za to je v tem, da je faktor obremenitve pri neposredni uporabi v povprečju nižji kakor pa faktor obremenitve pri proizvodnji električne energije.

Toplota, shranjena v zemljini skorji, je temeljni izvor geotermalne energije. Ta energije (toplota) se prenaša na površje s pomočjo vode. Uporabna energija je odvisna od porazdelitve temperature znotraj skorje, od razpoložljivosti vode za prenos toplote iz globin, prenosa energije na površje in procesa, ki se na površju uporablja za izkoriščanje te toplote. Toplota, shranjena v zemeljski skorji, predstavlja teoretično velikansko količino energije, vrednosti najverjetneje okoli 1024 J.

134 Geotermalna energija

Tehnološki razvoj

V začetkih izkoriščanja geotermalnih virov je na ekonomsko uporabnost občutno vplivala temperatura geotermalne tekočine. Dolgo časa je veljalo, da mora biti temperatura vira višja od 200 °C za ekonomsko proizvodnjo električne energije in višja od 50-60 °C za ogrevanje hiš. S tehnološkim razvojem v zadnjih letih so se te meje občutno spremenile. Z uporabo ORP (organski Rankinov proces) turbin se je znižala ekonomska meja za proizvodnjo električne energije na temperature virov okoli 100 °C. Temperature, ki jih lahko izkoriščajo toplotne črpalke, s katerimi se ogrevajo hiše, so sedaj okoli 5 do 10 °C. Ta tehnološki napredek je spodbudil izkoriščanje geotermalne energije v mnogih državah; dejansko je sedaj jasno, da je geotermalno energijo možno izkoriščati v skoraj vsaki državi na svetu.

Toplotna črpalka

Ogrevanje je ena od visokih stroškovnih postavk v podjetjih in tudi v gospodinjstvih, zato je pogosto predmet razprav. Vedno se postavlja vprašanje, kako stroške ogrevanja znižati. Običajno je postavljena meja med željami in finančnimi možnostmi. Za znižanje stroškov sta možna dva načina: dodatna izolacija objekta ali uporaba brezplačnih obnovljivih virov toplote.

Najcenejša kilovatna ura je tista, ki je ni treba proizvesti in zato tudi ne plačati! Za to poskrbi toplotna črpalka. Toplotna črpalka je naprava, ki potrebuje le 33 % pogonske električne energije za oddajanje 100 % ogrevalne energije. Razlika 67 % je brezplačna energija, pridobljena iz okolja.

ekspanzijski ventil

toplotaokolice 67 %

grelna toplota100 %

vhod hladne vode

uparjalnik izhod tople vode

kondenzator

kompresor

el. energija 33 %

Slika 7.1: Princip delovanja toplotne črpalke

Konstrukcijsko je toplotna črpalka v bistvu hladilnik oziroma obrnjen toplotni stroj. Sestavljena je iz uparjalnika, kompresorja, kondenzatorja in ekspanzijskega ventila.

V uparjalniku se uparja nestrupeno hladilno sredstvo, ki v zaprtem tokokrogu odvzame energijo okolju. Uparjeno hladilno sredstvo sesa kompresor, mu dvigne tlak in s tem tudi temperaturo, tako da se v kondenzatorju pare hladilnega sredstva utekočinijo in pri tem oddajajo okolici odvzeto energijo (pogonsko energijo) v sistem ogrevanja.


Karakteristični podatek za toplotno črpalko je t. i. grelno število “E”, ki kaže razmerje med pridobljeno toplotno energijo “Q” in vloženo energijo “W” v kompresor.

EQW

=

Grelno število (vrednosti so od 1 do 6) je odvisno od temperature medija, ki mu odvzamemo toploto, zato je zelo važno, pri kateri najmanjši temperaturi je še grelno število ugodno, saj se pri nizkih temperaturah grelno število lahko zmanjša na vrednost 1. V tem primeru postane toplotna črpalka navadna električna peč. Ta temperaturna meja je pri raznih toplotnih črpalkah različna. Praviloma moramo koristiti izvore s čim višjo temperaturo in držati grelni medij pri čim nižjih temperaturah.

V odvisnosti od vira toplote, ki ga izkoriščamo, bi plačali vsako drugo ali samo vsako tretjo kilovatno uro ogrevanja.

Glede na konstrukcijo delimo črpalke na:

• kompaktne (kadar je toplotna črpalka v enem delu in hladilni medij zaključi celoten tokokrog v tem sklopu)

• razcepljena izvedba (kadar je toplotna črpalka sestavljena iz več delov in je te dele treba povezati s cevmi hladilnega medija)

Glede na vrsto toplotnega izvora jih delimo na: • zrak - voda • voda - voda • zemlja - voda

Glede na način obratovanja jih ločimo na:

• bivalentni način (toplotna črpalka zrak - voda je inštalirana dodatno h konvencionalnemu kotlu za ogrevanje)

• monovalentni način ( toplotna črpalka pokrije sama celotne zahteve po energiji, toplotni vir je talna voda ali zemlja)

Nizka poraba energije vključuje uporabo toplotnih črpalk v kombinirane sisteme za ogrevanje in hlajenje objektov. S primernimi sistemskimi rešitvami je tako mogoče izkoriščanje prednosti toplotnih črpalk čez vse leto. Varovanje okolja in smotrna uporaba vse dražje energije dajeta pečat Evropi, kamor se tudi mi “odpravljamo”. S stališča ekonomičnosti in ekologije je najprimernejše ogrevanje z uporabo obnovljivih virov toplote. Ti so lepo predstavljeni na naslednji sliki.

Toplota zemlje

V poletnem času, predvsem ob sončnih dneh, se vrhnja plast zemlje hitro ogreje. Toplota se uskladišči v zemlji, kjer ostane do zimskih ohladitev. V globini okrog enega metra se zemlja ogreva počasneje kot na površini, zato pa obdrži toploto veliko dlje. To je toplota, ki jo uporablja toplotna črpalka.

V zemljo položimo zaprti kolektorski sistem. V njem kroži nestrupen medij, ki ga zemlja ogreje za nekaj stopinj celzija. To toploto izkorišča toplotna črpalka. S kompresorjem doseže temperaturo, primerno za ogrevanje radiatorjev in sanitarne vode. Dolžina kolektorskih cevi je odvisna od velikosti objekta in izbire toplotne črpalke.


toplota zemlje

toplota skalnih masivov

Običajna temperaturna območjaizkoriščanja naravnih virov toplote:• zunanji zrak od +15 °C do -15 °C• zemlja od +5 °C do -5 °C• jezera in reke od +5 °C do 1 °C• talna voda od +14 °C do +3 °C• skalni masivi od +5 °C do -5 °C• prezračevanje od +20 °C do +5 °C• industrijski procesi: individualno

Pri projektih za novogradnjo, v kateri je predvidenavgradnja toplotne črpalke, lahko odpade kurilnica,shramba za kurilno olje, kislinoodporni dimnik itd.Skupno znižani stroški pokrijejo velik del vlaganj vtoplotno črpalko.

toplotatalnevode

toplota zunanjegazraka

toplotaprezračevanja

Slika 7.2: Obnovljivi viri toplote

Uporaba zemeljske toplote je preizkušena tehnika. Poseg v parcelo je s primernimi stroji majhen. Pravilno dimezioniran sistem ne vpliva na zakasnitev rasti rastlin. Dolžina kolektorja, razmik in globina so prilagojeni tako, da je delovanje sistema uravnovešeno čez vse leto in ni preveč intenzivnega odvzema toplote. Zemeljska toplota kot vir ogrevanja se je z leti pokazala za zelo zanesljivo. Posebna izvedba toplotnih črpalk (neposredno uparjevanje) omogoča višje grelno število, hkrati pa do 40 % krajše kolektorje.

Toplota skalnih masivov

Sonce in notranja toplota zemlje ogrevata skalne masive. Ta vir toplote je nezanesljiv. Poseg na zemljišču je majhen, toda dokaj drag. Pri velikih objektih je uporaba tega vira pogosta, posebno v kombinaciji z izkoriščanjem odpadne toplote prezračevanja v poslovnih, delovnih, bivalnih in preostalih prostorih. Globina energetskih vrtin je odvisna od potreb objekta po ogrevanju in od moči toplotne črpalke. Dimenzioniranje vrtin se izvede s pomočjo programa, ki je zasnovan na dolgoletnem raziskovalnem delu. V eno ali več vrtin postavimo cevni kolektor. Priklopljen na toplotno črpalko tvori zaprti sistem. V kolektorju kroži nestrupen medij, ki prenaša toploto iz skalnega masiva v toplotno črpalko. Pridobljeno toploto uporabljamo za ogrevanje radiatorjev in sanitarne vode.

Toplota talne vode

Izkoriščanje talne vode kot vira naravne toplote je zaradi visokih izkoristkov zelo ugodna varianta. Toploto talne vode se da izkoriščati do +3 °C.


Zaradi peska, mulja in zaščite podtalnice se vedno vgrajuje vmesni prenosnik toplote. Spomladi ob taljenju snega pridejo v podtalnico velike količine hladne snežnice. Zato mora biti vodnjak ali vrtina primerno globoka, da sta zagotovljena enakomerna temperatura in količina odvzete vode čez vse leto. Povratni vod je običajno napeljan v ponikalnico ali povratno vrtino, vendar na primerni oddaljenosti. Pri visoki učinkovitosti toplotnih črpalk in prenosnikov so potrebne le majhne količine talne vode.

Toplota morja, jezer in rečnih voda

Voda v jezerih se ogreva spomladi in poleti. V jeseni se počasi ohlaja, pozimi pa zadrži toploto predvsem zaradi ledene ploskve na njej. Sorazmerno toplo jezersko vodo se izkorišča s toplotnimi črpalkami in zaprtim sistemom kolektorjev. Na dno jezera položimo kolektorsko cev. V cevi kroži nestrupena hladilna tekočina, ki odvzema toploto vodi. Ogreti medij vodimo do toplotne črpalke, kjer ga ohladimo za nekaj stopinj. Pridobljena toplota nato ogreva radiatorje in sanitarno vodo. Ohlajeni medij potuje nazaj do jezera, kjer se ponovno ogreje. Princip je torej enak kot pri zemeljskem viru toplote.

Sistem deluje dobro tudi pri temperaturi vode, ki se približuje 0 °C. Ogrevanje s toploto površinske vode predvideva majhen poseg na zemljišču, seveda pa je prvi pogoj, da je v bližini vodni tok, jezero ali morje. Celotna dolžina kolektorske cevi se prilagodi potrebi objekta. Pri morski vodi ali vodi z vsebnostjo soli več kot 1000 ppm moramo uporabiti razstavljiv titanov toplotni prenosnik.

Izkoriščanje temperature zraka

Toplota zunanjega zraka je vir, ki se ga da izkoriščati s sorazmerno nizko naložbo. Je povsod okoli nas, posegi na parcelo niso potrebni, zato je idealen osnovni vir ogrevanja v stanovanjih, lokalih, počitniških objektih, bazenih, pri ogrevanju sanitarne vode... Razvoj je omogočil ekonomično izkoriščanje toplote zraka do -15 °C. Pri nizkih zunanjih temperaturah je treba zagotoviti dopolnilno ogrevanje, vendar pa se celoletna poraba energije kljub temu prepolovi. Izkoriščanje toplote zraka je rešitev, ki vzdrži ekonomsko primerjavo s preostalimi vrstami ogrevanja. Posebno ugodna je ta rešitev poleti pri ogrevanju sanitarne vode v stanovanjskih blokih, bolnišnicah, hotelih, industriji, gostinskih objektih, kopalnih bazenih... (izkoristek kotla na olje je poleti nižji, tudi pod 70 %). S primerno toplotno črpalno zrak - voda dosežemo grelno število celo do 3.5! Primerjava naložbe ogrevanja sanitarne vode s sončnimi kolektroji za 4 do 5 člansko družino pokaže, da je investicija v toplotno črpalko zrak - voda le nekoliko višja. Pri tem zniža toplotna črpalka potrebno skupno energijo za ogrevanje in sanitarno vodo na polovico (ne glede na vremenske razmere). Možnost preklopa delovanja toplotne črpalke tipa zrak - voda v ohlajevanje (reverzibilno delovanje) ji dodatno razširi uporabnost. Taki primeri so izkoriščanje previsoke temperature delovnih, skladiščnih in drugih prostorov, ohlajevanje tehnoloških procesov, v prehrambeni industriji, ohlajevanje lokalov...

Obeti v prihodnosti

S sedanjo tehnologijo, ki se uporablja za izkoriščanje geotermalne toplote, je možno geotermalno energijo neposredno uporabljati skoraj povsod po svetu, električno energijo pa je možno ekonomično proizvajati v mnogih državah sveta. V mnogih državah, s precejšnjimi možnostmi za izkoriščanje visoko temperaturnih geotermalnih virov, le-teh še vedno niso začeli izkoriščati. Omejitve za nadaljnji razvoj so zaradi tega lahko bolj


finančne in politične narave kakor pa tehnične.

V zadnjih dveh desetletjih so bila za eksperimente z suhimi vročimi skalami dodeljena velika sredstva. Namen teh eksperimentov je bil najti ekonomičen način izkoriščanja toplote iz slabo prepustnih skal s pomočjo prisilnega kroženja vode. V teh eksperimentih obstaja tudi zahteva, da je treba proizvajati električno energijo iz geotermalne toplote, ki je pridobljena s pomočjo metode suhih vročih skal. Do sedaj se suhe vroče skale niso izkazale kot ekonomsko upravičene v primerjavi z ostalimi viri energije. Vlaganje denarja v poskuse je upravičeno zato, ker bi se lahko s pomočjo te metoda obseg uporabe geotermalne energije zelo povečal, če bi proizvodnja postala ekonomična. Drugo stališče o poskusih s suhimi vročimi skalami pa je, da bi bilo možno več vloženega denarja povrniti s večanjem izkoriščanja geotermalne energije z že ustaljenimi metodami, ki so se pokazale kot ekonomične.

LITERATURA


[2] Gorenje, propagandni material

[3] Toplotne črpalke, seminarska naloga pri predmetu Splošna energetika, Tehniška fakuleta Maribor


8. DRUGAČNI ENERGETSKI VIRI

Obnovljivi energetski izvori kot so veter, valovi, Sonce in plimovanje ne morejo nadomestiti končnih in izginjajočih rezerv fosilnih goriv; njihova tehnologija je draga, njihova razpoložljivost je odvisna od vremena ali luninih men tako, da ne morejo vskočiti namesto običajnih elektrarn.

8.1 Energija vetra

Veter so že nekaj tisoč let uporabljali v kmetijstvu za mletje zrnja in črpanje vode. Zadnje čase mnogo raziskujejo in razvijajo naprave za pretvorbo energije vetra v električno energijo.

Iz vetrnice pridobljena energija je sorazmerna površini, ki jo obsežejo lopatice, in tretji potenci hitrosti vetra. Vetrnica oddaja energijo kakor hitro doseže veter hitrost nekaj m/s. Energija hitro narašča zaradi kubne odvisnosti vse do nazivne hitrosti. Nad to hitrostjo je energija približno stalna bodisi zaradi vrtenja krila (regulacija) ali pa zaradi povečanega upora lopatic. Pri zelo velikih hitrostih vetrnico izklopijo in zavarujejo.

Uporaba energije vetra je neugodna zaradi male gostote energije in zelo hitrih in pogostih spememb hitrosti vetra. Če sta na primer vetrnica in generator zgrajena za delo pri največji hitrosti vetra 10 m/s (5 boforov), je največja izkoristljiva moč 0,37 kW/m2, iz generatorja pa priteče 0,2 kW/m2 zaradi velikih izgub v zračni turbini in generatorju. Moč hitro upada z manjšanjem hitrosti vetra (tretja potenca!).

Elektrarne na veter imajo vodoravno ali navpično os. Tiste z vodoravno osjo imajo dva ali tri krila ter se vrtijo s 15-100 obrati na minuto. Nekatere obratujejo pri konstantni hitrosti (regulacija z nagibom kril), druge pri spremenljivi hitrosti, odvisno pač od moči vetra. Krila so pritrjena na vrhu stebra na ohišje, ki vsebuje ojnico, menjalnik in generator. Ohišje in lopatice se lahko prosto vrtijo okoli navpične osi tako, da so lopatice vedno pravokotno na smer vetra. Generatorji so sinhronski ali asinhronski z ozirom na regulacijo hitrosti vrtenja in način električnega priključka.

Vetrnic z vertikalno osjo ni treba obračati po vetru, ohišje in generator sta lahko na tleh. Slabost je, da navor in izhodna moč nihata ciklično pri vsakem obratu.

Gradnja mlinov na veter je zelo privlačna, tako ne manjka projektov in različnih izvedb povsod tam, kjer je povprečna hitrost vetra večja od 6 m/s. Največje naprave imajo do 100 m premer kril in moč okoli 4 MW, načrtujejo pa že mnogo večje. Kalifornija je zelo vetrovna in pridobi 2 % električne energije iz energije vetra.

V zadnjih petih letih se je veter dokaj uveljavil kot vir električne energije, delno zaradi naraščajoče zanesljivosti tehnologije, delno pa zaradi zmanjšanih stroškov. Kljub temu, da razvoj izkoriščanja energije vetra priteguje finančno pomoč, ali v obliki denarne podpore ali pa v obliki vnaprejšnjih plačil za energijo, se je razlika med stroški za električno energijo iz vetra in električno energijo iz klasičnih termoelektrarn zelo zmanjšala ali pa celo izginila. Študije uglednih strokovnjakov so pokazale, da je na nekaterih krajih veter sedaj najcenejša energijska možnost. Na drugih lokacijah, delno tudi v deželah v razvoju, kot je npr. Indija, je veter zanimiv vir električne energije, saj je čas za izgradnjo elektrarne na veter zelo kratek v primerjavi s časom, potrebnim za izgradnjo termoelektrarne (3 do 6 mesecev v primerjavi z 1 do 2 ali več let).

140 Drugačni energetski viri

1000 letna energija vetra v W/m2

dejanska zmogljivost vetradejanski dolgoročni načrti

500

750

750 500

1000

Slika 8.1: Vetrovna področja

Svetovna vetrovna področja so porazdeljena po obalnih predelih Amerike, Evrope, Azije in Avstralije (slika 8.1). Na splošno obstajajo trije osnovni trgi za energijo vetra: • V razvitem svetu se uporablja za zmanjšanje emisij ogljikovega dioksida, uporablja pa

se tudi za proizvodnjo električne energije na “vetrnih farmah” tipično od 10 do 100 strojev, vsak izhodne moči od 300 do 500 kW. Površinska gostota je okoli 10 W/m2, ob tem pa turbine na veter ne ovirajo poljedelskih aktivnosti na poljih.

• Dodatno lahko energija vetra pokriva posebne potrebe po energiji v oddaljenih področjih: majhni stroji zagotavljajo energijo za navigacijske svetilnike v Veliki Britaniji in za katodno zaščito cevovodov v Savdski Arabiji. Večji stroji (5 do 50 kW) predstavljajo pomeben vir energije za razsvetljavo in ogrevanje v krajih na Škotskem in na Novi Zelandiji, oddaljenih od obale. Na mnogih otokih v Oceaniji so velike hitrosti vetra in zaradi tega je, ker so običajna goriva v takšnih predelih draga, veter zanimiva možnost za proizvodnjo električne energije in razsoljevanje vode.

S pocenitvijo tehnologije in povečanjem zanesljivosti se veter v razvitem svetu vedno bolj uporablja za pridobivanje električne energije, kjer predstavlja njegova enostavnost in dejstvo, da je čas za izgradnjo kratek, veliko prednost.

Razvoj tehnologije

Hitrost tehnološkega razvoja še vedno ostaja velika, delno zaradi raziskav in razvojnih programov, ki trenutno potekajo v večini industrijskih držav, delno pa zaradi programov za spodbujanje trga. Slednje je spodbudilo nagel razvoj v Nemčiji in pred kratkim v Veliki Britaniji, kar je dodalo nove elektrarne k že precejšnjim zmogljivostim, ki so inštalirane na Danskem, v ZDA in na Nizozemskem. Osnovni cilji te stimulacije trga je spodbuditi razvoj tehnologij z nizkimi (oziroma v primeru energije vetra ničnimi) emisijami ogljikovega dioksida in ostalih snovi. Intenzivno tekmovanje, ki so ga povzročili ti programi, je povečalo zanesljivost do take mere, da sedaj večina proizvajalcev turbin na veter zagotavlja 95 % razpoložljivost. Intenzivno tekmovanje je tudi občutno znižalo stroške in večina evropskih proizvajalcev je povečala dimenzije strojev z namenom zmanjšati stroške


vetrnih farm (večje dimenzije omogočajo občutne prihranke v stroških za turbine, temelje in za električne povezave). Premer največje vetrnice, ki se sedaj komercialno izdeluje, je 52 m z močjo 1 MW. Podatki za take vetrnice so zbrani v preglednici 8.1, na sliki 8.2 pa je slika ene izmed večjih vetrnic.

63,0 m 42,3 m

∅ 41 m

Slika 8.2: Tipična vetrnica

Pestrost trga

Veliki stroji so idealni za postavitev predvsem v celinskih delih Evrope in obeh Amerik, so pa manj primerni za nastajajoč trge v Indiji, na Kitajskem in v Južni Ameriki. V teh krajih je pomembno, da je možno enostavno rokovati s komponentami z namenom olajšati transport in postavitev, tako da sta pomebni velikost in teža. Še več, na nekaterih teh novih nastajajočih trgih so majhne hitrosti vetra in to je vodilo k razvoju nove vrste komercialnih strojev manjših moči (do 300 kW), narejenih za manjše hitrosti vetra. S tem je mogoče doseči občutne prihranke. Širitev trga je mogoče soditi po dejstvu, da je Danska v letu 1994 izvozila svoje turbine na veter v 24 držav, skupne moči 386 MW, od katerih je nekaj manj kot tretjina namenjana v dežele v razvoju.


Preglednica 8.1: Značilnosti sodobnih turbin na veter

Premer rotorja Do 52 m z načrtovanim nadaljnjim razvojem večjih premerov; manjši stroji (okoli 30 m) so dosegljivi za dežele v razvoju.

Število lopatic Večina ima 3; narašča število z dvema.

Material lopatic Največkrat s steklom ojačana plastika; narašča količina lesnih epoksidov.

Hitrost vrtenja Na splošno konstantna, okoli 50 do 25 min-1 (manjša se z velikostjo) Uveljavljajo se pogoni s spremenljivo hitrostjo, ki povečujejo aerodinamični izkoristek in zmanjšujejo hrup.

Regulacija moči Za regulacijo moči sta najbolj običajni dve metodi: • “Upočasnjevalna regulacija” - lopatice so fiksne, tako da se hitrost

lopatic manjša z naraščjem vetra. • “Regulacija naklona” - celotna lopatica ali pa le njen del se obrača in

omejuje moč.

Prenos moči Skoraj povsod pospeševalni zobniški prenos. Neposredni pogoni, brez zobnikov, so sedaj vključeni v komercialne proizvode nekaterih proizvajalcev.

Generator Uporabljajo se tako sinhronski kot asinhronski, s 4 ali 6 poli. Pri dvo-hitrostnem obratovanju se pogosto spreminja število polov.

Regulacija sledenja

Za določanje smeri vetra se uporabljajo senzorji, glava stolpa pa pod obremenitvijo sledi vetru. Nekateri pogoni so brez sledenja, tako imenovani pasivni odziv.

Stolpi Običajno cilindrični (ali mnogokotni) in iz jekla. V ZDA se pogosto uporabljajo rešetkasti stolpi. Nekateri (večji) stroji imajo betonske stolpe.

Raznolikost trga ni odvisna samo od geografije. Kljub temu da večina od svetovnih 3500 MW električne energije, proizvedene z vetrom, napaja centralizirana električna omrežja, obstaja veliko otočnih sistemov, ki so se doslej zanašala na uvoženo nafto, sedaj pa izrabljajo ali pa nameravajo izrabljati energijo vetra. Problemi regulacije, povezani z uporabo nestalnega vira, so bili obdelani in v velikih interkonekcijskih sistemih ne predstavljajo nikakršnih problemov, seveda če inštalirana moč elektrarn na veter ne presega 20 % skupne inštalirane moči. Za otočne sisteme, kjer je ta številka večja, so se pojavile različne rešitve, vključno s sistemi, ki izkoriščajo različne kombinacije npr. veter/diesel, veter/sonce, veter/akumulatorji. V ostalih primerih se uporabljajo zbiralniki vode za glajenje izhodne moči elektrarn na veter.


Nadaljnji razvoj

Kljub temu da se je tehnologija v zadnjih desetih letih bliskovito razvila, prevladuje splošno mnenje, da je nadaljnje izboljšave možno izvesti tako v delovanju kot tudi v stroških. Nedavna analiza ameriškega Državnega laboratorija za obnovljivo energijo napoveduje, da bodo med letoma 1993 in 2000 skupni stroški izgradnje padli za 25 %, proizvedena energija pa se bo povečala za najmanj 25 %. Med izboljšavami, za katere predvidevajo, da bodo pripomogle do teh učinkov in zmanjšanih stroškov, so tudi višji stolpi, izdelani iz lahkih materialov, lažje in bolj aerodinamične lopatice, pri čemer se bodo prihranki teže kazali predvsem pri lažjem transportu in lažji postavitvi stolpa.

Trenutna svetovna inštalirana električna moč je okoli 3,5 GW. Nedavna študija Svetovnega energetskega sveta napoveduje porast le-te na 10 GW do leta 2002, s tem, da bo na hitrost razvoja vplivala stopnja vpliva okoljevarstvenikov na ustavljanje običajnih elektrarn. Kakorkoli, nov korak je strmo padanje stroškov elektrarn na veter, ki jih bliža stroškom elektrarn na konvencionalna goriva, kot izid pa lahko pričakujemo pospeševanje razvoja.

8.2 Plimovanje

Gladina morja niha približno sinusno z nihajno dobo 12,4 ure. Mera za velikost nihanja je dvojna amplitudna vrednost. V večini oceanov je ta le 1 m, je pa pogosto ojačana zaradi učinkovanja značilnosti obale. Največje amplitude so v širokih ustjih, kjer prihaja do resonančnih pojavov. Največje so v zalivu Fundy - Nova Škotska (13 m) in ob zahodni obali Škotske (11 m). Energija, ki jo je možno pretvoriti, je sorazmerna kvadratu amplitude in površini zajezitve, zato je neumestna gradnja pri amplitudah manjših od 2 m.

Elektrarne, ki izkoriščajo energijo plime in oseke za pogon turbin, predstavljajo posebno vrsto hidroelektrarn.

Za pretvarjanje energije uporabljajo dve metodi:

• Jez zapira vhod v široko ustje reke ali zaliva. V jezu so nameščene turbine in generatorji. Pretvorba je možna, ko ob plimi zajeto vodo spuščajo v morje ob oseki. Možna je tudi pretvorba ob plimi v nasprotni smeri ali celo v obeh smereh. Obratovanje poteka v štirih fazah (slika 8.3). V prvi se bazen polni v času plime. V drugi fazi ostaja najvišji možni nivo v bazenu ob zaprtih zapornicah. V tretji fazi obratujejo turbine, voda odteka skoznje v morje, dokler ni dosežen najmanjši padec, ob katerem še lahko deluje turbina. Zapornice ostanejo v četrti fazi zaprte, dokler se gladina v bazenu ne izenači z gladino morja, nakar sledi polnjenje.

• Drugi pristop je mnogo dražji, omogoča pa z izgradnjo dveh bazenov stalno proizvodnjo električne energije. Zgornji bazen približno napolnijo med srednjo višino vode in plimo, spodnji bazen pa praznijo med srednjo višino in oseko. Pretvorba je v turbinah, ki so nameščene med obema bazenoma. Izvedenih je več variant te osnovne zamisli, vse do prečrpovanja v času malih višinskih razlik.

V preglednici 8.2 so zbrani podatki za že postavljene elektrarne ter za take, o katerih šele razmišljajo. Pričakovane cene za energijo iz teh (bodočih) elektrarn so: v Argentini: 30 ameriških dolarjev/MWh, v Kanadi 55 oziroma 62 ameriških dolarjev/MWh ter v Angliji 30 ameriških dolarjev/MWh.


minimalna Δh, prikateri turbina šelahko obratuje

nivo morja

nivo za pregrado

Slika 8.3: Obratovanje elektrarne z enim bazenom

minimalna Δh, prikateri turbina šelahko obratuje

nivo morja

nivo za pregrado

črpanje

črpanje

Slika 8.4: Obratovanje elektrarne s prečrpovanjem - en bazen, dvosmerna turbina in črpalki


Preglednica 8.2: Obratujoče in načrtovane elektrarne na plimo in oseko

Pokrajina

Povprečna razlika med

plimo in oseko Površina

zaliva Inštalirana

moč Energija Začetek

obratovanja ali status

m km2 MW GWh

La Rance (Francija) 8,0 17 240 540 1966

Kislaya Guba (Rusija) 2,4 2 0,4 - 1968

Jiangxia (Kitajska) 7,1 2 3,2 11 1980

Annapolis (Kanada) 6,4 6 17,8 50 1984

Severn (Anglija) 8,3 520 8000 14400 načrtovana

A8 (Kanada) 9,2 90 1400 3420 načrtovana

B9 (Kanada) 11,0 240 4864 14004 načrtovana

Garolim (Republika Koreja) 5,1 85 400 800 načrtovana

Kutch (Indija) 5,0 170 600 1600 načrtovana

Secure Bay (Avstralija) 5,2 94 740 1400 načrtovana

Walcott Inlet (Avstralija) 5,5 264 1750 3310 načrtovana

Mersey (Anglija) 6,5 60 700 1390 načrtovana

Mezenskaya (Rusija) 6,5 - do 15000 do 45370 v raziskavi

Tugur (Rusija) 5,6 - do 6800 do 16800 v raziskavi

8.3 Energija valov

Oceanske valove povzroča sončna energija, pri čemer je veter posrednik, ki prenaša sončno energijo do morske površine. Preprosto povedano, neenako segrevanje zemeljske površine povzroča veter, veter pa povzroča valove s tem, ko piha nad vodno površino.

Samo okoli 0,01 % vsega pretoka sončne energije, ki pade na zemljo, se v končni obliki kaže kot energija valov. Medtem ko je vsa moč sončnega sevanja, ki pade na zemeljsko površje, reda 1016 do 1017 joulov, je energija valov porazdeljena ob obalah in je velikostnega reda 1012 do 1013 joulov.


Edinstvena lastnost morskih valov je, da lahko, ko je enkrat proizvedena, potuje po oceanih čez ogromne razdalje ob malenkostnih izgubah energije. Celo najdaljši valovi ne začutijo dna, dokler ne pridejo do globin 300 m ali manj. Potemtakem pride energija valov, povzročena kjerkoli znotraj oceana, konec koncev dejansko nezmanjšana do kakšnega otoka ali pa do kopna, ki meji na ta ocean.

Energija valov je nakopičena okoli obal, skupne dolžine 336 000 km, za razliko od sončne energije in energije vetra, ki sta porazdeljeni po vsej površini zemlje. Pri celotni stopnji obnavljanja 2,7⋅1012 W, znaša povprečna gostota energije valov po vsem svetu 8 kW na meter obale. Za primerjavo: letni povprečni gostoti sončne energije in energije vetra sta na splošno manj kot 500 W/m2 vodoravne površine oziroma vrteče se površine. Torej je gostota energije valov za razred večja od naravnih pojavov, ki jo povzročajo.

Na geografsko in časovno porazdelitev virov energije valov vplivajo veliki sistemi vetrov, ki povzročajo oceanske valove: na primer izredne tropske nevihte in pasatni vetrovi. Na nekaterih območjih, znana je Indija, lahko lokalni monsunski vetrovi vplivajo na obnašanje valov.

Izredni tropski cikloni nastanejo, ko pihajo prevladujoči zahodni vetrovi od obale proti morju in pobirajo toploto in vlago iz zahodno-oceanskih mejnih vodnih tokov, kot sta Zalivski tok in vodni tok Kuroshio. Ti sistemi nizkega tlaka običajno povzročajo vetrove trajnih hitrosti tja do 25 m/s, ki v dveh do treh dneh prepotujejo več kot 1000 km.

Na severni polobli sledijo izredni tropski cikloni severo-vzhodni poti, neprestano povzročajoč v nevihtnem južnem sektorju valove, ki potujejo v isti smeri kot nevihte. Kot posledica so valovne energije najvišje tam, kjer ti valovi (poznani kot valovanje pred viharjem, ko se enkrat dovolj razvijejo, da potujejo hitreje kot nevihte in zapustijo področje aktivnega nastajanja vetra) zadenejo ob kopno na vzhodni obali oceanskega bazena.

Po drugi strani pa valovi, ki so nastali v severnem sektorju ciklona severne poloble, potujejo v nasprotni smeri, kot pa napreduje nevihta, in so mnogo manj izpostavljeni energiji nevihtnega vetra. Valovanje po viharju, ki se “vrača” od neviht ima mnogo manjšo moč, kot pa valovanje pred nevihto, ki zapušča južni sektor nevihte. Kot posledica je nivo energije valov na zahodni strani oceanskega bazena na splošno manjši za okoli polovico od tistega na vzhodni strani. Na južni polobli se podobni sistemi nizkega pritiska pojavljajo v odprtem oceanu, ki obkroža Antarktiko. Te nevihte potujejo od zahoda proti vzhodu, ne da bi jih kopno oviralo in povzročajo valove z visoko energijo, ki udarjajo v kopno vzdolž zahodne obale Južne Amerike, Afrike, Avstralije in Nove Zelandije. Ti valovi tudi občutno prispevajo k viru energije valov v Indoneziji in otočnim narodom v Južnem Tihem Oceanu.

Izredne tropske nevihte so najpogostejše in najmočnejše pozimi. Kjer v koničnih obremenitvah prevladujeta zimsko ogrevanje in obremenitev zaradi razsvetljave (npr. severna Evropa), energija valov zelo dobro sledi sezonskim obemenitvam. Kjer pa v koničnih obremenitvah prevladuje poletno hlajenje prostorov (npr. Kalifornija), je ujemanje slabo.

Kljub temu, da pasatni vetrovi ne dosegajo gostote vetrov izrednih tropskih neviht, pa so bolj stalni. Vetrovne strani otočnih obal v tropih niso samo pod vplivom valov, ki jih povzročajo pasatni vetrovi, ampak pri večjih zemjepisnih širinah tudi pod vplivom valov, ki jih povzročajo izredne tropske nevihte.


Ocene virov energije valov za posamezne države, ki sledijo tej razlagi, so podane v povprečnih letnih kilovatih po metru obale (kW/m). Treba je opozoriti, da so to meritve gostote virov in da ne predstavljajo možne inštalirane moči.

Glavna področja uporabe energije valov so tam, kjer stalen veter povzroča dolge valove z velikimi amplitudami. Takšno področje je na primer severozahodna obala Britanije s povprečno gostoto 50 kW/m.

Tehnologija

Osnovni postopek za pretvorbo energije valov je možno podati zelo splošno: sila (ali moment) vpadnega vala povzroča relativno gibanje med absorberjem in reakcijsko točko, ki potiska delovno tekočino skozi generatorjevo osnovno gonilo. Periodična narava morskih valov narekuje, da bo to relativno gibanje nihajoče in bo imelo frekvenco med 3 in 30 periodami na minuto, kar je mnogo manj od nekaj sto obratov na minuto, ki jih potrebuje električni generator. Uporabljenih je veliko delovnih tekočin in osnovnih gonil za pretvorbo teh počasnih in po smeri se spreminjajočih sil valov v hitrejše in po smeri stalno vrtenje rotorja generatorja. Možno je razlikovati med skupno 12 različnimi izvedbami, kot je prikazano na sliki 8.5.

Valovne elektrarne so lahko izvedene na kopnem, na plovcih v relativno plitki vodi (5 do 15 m globine) ali pa globji vodi proč od obale. Kopenski sistemi vključujejo na enem koncu zožene kanale (izvedba 1) in niz nepremičnih naprav z nihajočimi vodnimi stolpci (izvedba 2). Plavajoči sistemi v plitki vodi vključujejo nepremične naprave z nihajočimi vodnimi stolpci (izvedba 2), utečajene lopatice (izvedba 4) in dvižne plovce (izvedba 5). Plavajoči sistemi v globji vodi vključujejo nepremične naprave z nihajočimi vodnimi stolpci (izvedba 3), dvižne boje (izvedba 6 in 7), obročaste plovce (izvedba 8 in 9), zibajoče se Edinburške race (izvedba 10), morske školjke (izvedba 11) in potopljeni bristolski valj (izvedba 12).

Skupna inštalirana moč elektrarn na valove po celem svetu je 685 kW. Pri tem prevladuje 350 kW elektrarna z zoženim kanalom v Toftestallenu blizu Bergna na Norveškem in 150 kW plavajoča elektrarna z nihajočimi vodnimi stolpci blizu Trivandruma na jugo-zahodni obali Indije. Tri manjše elektrarne (20, 30 in 60 kW) delujejo sedaj tudi na Japonskem. Najnovejši prispevek je 75 kW je kopenska elektrarna kanalskega tipa z nihajočimi vodnimi stolpci v Islayu, na jugo-vzhodni obali Škotske, ki je začela delovati v letu 1992. Pomebno je, da so to vse kopenski oziroma v plitki vodi plavajoči sistemi. Tri mnogo večje demonstracijske projekte je pred kratkim finančno podprla Komisija Evropske skupnosti preko programa JOULE (Joint Opportunities for Unconventional or Long-term Energy), s pripadajočimi vladnimi, znanstvenimi in industrijskimi viri znotraj soudeleženih držav.

Dva od teh sta 500 kW kopenska sistema z nihajočimi vodnimi stolpci, od katerih je bil eden razvit na Kraljevi univerzi v Belfastu kot druga enota na Islay-u, drugi pa na lizbonski Tehniški univerzi za otok Pico v Azurih. Največji in najbolj inovativen od vseh evropskih projektov je OSPREY (Ocean Swell Powered Renevable), ki so ga razvili na Škotskem.


Slika 8.5: Najpogostejši načini pretvorbe eneregije valov

dvigovanje in

nihanje

dvigovanje

zibanje in

dvigovanje

zibanje

inercijska alinepremična struktura

prostapovršina

nepremičnastruktura

sidra namorskem dnu

inercijskastrukturaB:

A: toga ali prilagodljiva struktura

Sile valovanja; zibanje, dvigovanje in/alinihanje povzročajo relativno gibanje medabsorberjem (A) in reakcijsko točko (B), kipotiska delovno tekočino skozi črpalko ( )ali turbino ( )

hidravličnatekočina

morskavoda

rezervoar

zrak

prilagodljivbalon vreteno

nepremična ploščad

lopatica

sidrišča

morskavoda

cilinder

nepremična ploščad

zrak

plovec

nepremična ploščadbalast

morskavoda

morskavodaboja

morskavoda

boja

plošča

zrak

boja

balast

splavboja

hidravličnatekočinajarem

plošča

boja

raca

vreteno

hidravlična tekočina

zožen kanal

hidravlična tekočina

1411

7 6 5 2

39

12

10

8


OSPREY (slika 8.6) je hibridni sistem, ki izkorišča energijo vetra in valov. Energija valov se izkorišča s pomočjo nihajočih vodnih stolpcev znotraj obrnjenih kupol kolektorskih celic med dvema obtežilnima rezervoarjema v obliki piramid, ki, ko sta prazna, omogočata napravi, da sama plava. Napravo pripeljejo do mesta postavitve, rezervoarja poplavijo, da se naprava namesti na dno, nato pa rezervoarja delno napolnijo z usedlinami, da se zagotovi stabilnost pred nevihtnimi valovi in vodnimi tokovi. Voda se v zbiralni komori dviguje in spušča v odvisnosti od valov, ki prehajajo, in s tem povzročajo obraten navpičen pretok zraka skozi močnostno enoto, ki vsebuje štiri 500 kW samovzbujajoče Welss-ove agregate. 500 kW turbina - generator je nameščena za močnostnim delom, kar daje enoti skupno moč 2,5 MW. To je prva preizkusna oceanska elektrarna, ki ima proizvodno zmogljivost podano v MW in je popolnoma modularna ter jo je možno izdelovati v ladjedelnicah. Poizkusna elektrarna je začela delovati koncem 1995 leta.

vetrnica

zbiralna komora

zahodni obtežilni rezervoar

vzhodni obtežilni rezervoar

podloga za blato

močnostna enota

Slika 8.6: Hibridni “elektrarni” za pretvorbo energije vetra in valov


LITERATURA


[2] Hrvoje Požar, Elektrane, Tehnička enciklopedija III, Zagreb ¸1969


9. ENERGIJA IN OKOLJE

Ko skušamo gledati v prihodnost in doseči v svetu izboljšave okolja, je pomembno spoznanje o tem, kakšne koristi je v zadnjih dveh stoletjih na različne načine prinesla svetu uporaba komercialnih fosilnih goriv, povezana z industrializacijo. Za ogromno število ljudi je bila dosežena velika gospodarska blaginja, ki je brez industrializacije ne bi bilo. Družbe so postale manj odvisne in komunikacije mnogo boljše. Materialno bogastvo, ki je tako neenakomerno porazdeljeno po svetu, se mora razširiti.

V svetu vlada veliko upanje, da bo mogoče proces industrializacije, ki je prinesel toliko materialnih koristi v zrelih industrijskih gospodarstvih, razširiti tudi na države v razvoju. To upanje spremlja tudi pričakovanje držav v razvoju, da bodo nekatere probleme, povezane z industrializacijo, lahko preskočile in se izognile številnim problemom v okolju, ki so povezani s tradicionalno energijsko preskrbo, pretvorbo in uporabo energije. Gospodarstva v prehodu predvidevajo izboljšanja pri učinkovitosti in upravljanju ter v političnih in socialnih okvirih. To pa pomeni, da bodo napredek v tehnologiji, primerne cene in učinkovita konkurenca odigrali pri tem pomembno vlogo. Vendar je sedanje stanje celo v razvitih industrijskih državah takšno, da je mnogo revščine, ki mnogim ubožnejšim članom družbe jemlje možnost uporabe prednosti, ki jih nudi energija, saj bi zanjo morali porabiti prevelik delež svojega dohodka (za plačilo domačega goriva ali računa za porabljeno energijo). V takšnih primerih bi podpora za večji dohodek, kjer je to mogoče, povečala dostopnost energije, ne bi pa koristila za povečanje naložb v energijsko učinkovitost in s tem zmanjšanju vplivov na okolje. Vemo pa, da 50 % sedanjega svetovnega prebivalstva nima dostopa do komercialne energije in je zato v veliki meri prikrajšano za vse, kar raba energije omogoča in kar zadovoljuje številne človeške potrebe.

Z dvigom energijske učinkovitosti pri rabi in z uvedbo čistejših in učinkovitejših tehnologij za pretvorbo in preskrbo energije bodo slabi vplivi na okolje gotovo zmanjšani. Torej bi nas enostavno sprejetje koncepta ekonomistov o oportunitetnih stroških - zaradi stroškov za prvo smo se (npr. za čisto okolje) morali odreči drugemu (npr. energiji za kritje potreb kronično najsiromašnejših) - lahko zapeljalo. Vendar moramo paziti, da ne bi nastal vtis, da so nekateri privilegirani ljudje lahko zaskrbljeni za okolje zato, ker si lahko privoščijo izbiro; neprivilegirani, ki si ne morejo privoščiti nobene izbire, najbrž ne želijo, da bi zanje izbirali tisti, ki si lahko izberejo boljše okolje in s tem neprivilegirane prikrajšajo za energijo. Ne glede na to, ali se izrazimo na tako grob način ali pa bolj zapleteno in prefinjeno, v bistvu je danes jedro ene najbolj žgočih razprav ravnotežje med ekonomsko koristjo, energijsko učinkovitostjo in boljšo zaščito okolja. Korist na enem področju skoraj vedno prinese izgubo na drugem.

Za države v razvoju je glavna skrb lokalno okolje, območna okoljska vprašanja so drugotnega pomena, svetovna pa imajo še nižjo prioriteto. Kakovost vode in sanitarnih naprav, bivališča in zdravstvena skrb, to so zanje ključna vprašanja. Med prvimi je kakovost zraka in vpliv preskrbe ter rabe energije nanjo. Nasprotno pa je razprava o potencialnih spremembah celotne svetovne klime za države v razvoju nekam odmaknjeno in dolgoročno vprašanje, celo za tiste, v katerih živi mnogo ljudi na zelo nizko ležečih ozemljih, ali kjer so poplave in lakota že sedaj rešen problem. Za tiste, ki se danes borijo za svoj obstanek, vprašanje, kakšne bodo v naslednjem stoletju koncentracije ogljikovega dioksida in metana v ozračju (da ne govorimo o dušikovih oksidih in halogeniranih ogljikovodikih), iz razumljivih razlogov ni na prvem mestu. Vendar bodo v naslednjih 30

152 Energija in okolje

letih prav države v razvoju k temu problemu največ prispevale, če bo znanost potrdila, da je resničen.

Preskrba in raba energije vplivata dvosmerno tako pozitivno kot negativno. Onesnaževanje je glavni negativni vpliv z lokalnimi učinki (plini od prometa in dim iz tovarniških dimnikov), z območnimi (kisli dež in razlita nafta) in svetovnimi, med katerimi je najbrž najpomembnejši vpliv tople grede na klimo zaradi emisij ogljikovega dioksida in metana (ki jih delno povzroča preskrba s fosilnimi gorivi in njihova raba).

9.1 Območno in krajevno onesnaževanje

Sem sodijo kisli dež (emisija žveplovega oksida), mestni smog (zaradi emisij različnih vrst prahu, žveplovega in dušikovih oksidov iz tovarniških in drugih dimnikov ter od prometa) in plini, ki nastajajo pri zgorevanju goriv v prebivališčih. Dosežki pri obvladovanju lokalnih emisij so različni: v Londonu, Porurju in Tokiu so bile v zadnjih letih dosežene pomembne izboljšave. V Los Angelesu, Mexico Cityju in Atenah pa bodo morali še veliko storiti.

Lokalno onesnaževanje je v mnogih državah v razvoju posebej pereče v mestnih predelih in v okolici mest. Preskrba in raba energije gotovo prispevata k poslabševanju kakovosti okolja, posebej zraka, v neki meri pa tudi zemljišč in vode. Prevladujoča uporaba osvinčenega bencina se odraža v visokih koncentracijah svinca v zraku v New Delhiju, Kuala Lumpurju, Harareju in drugih razvijajočih se mestih. Visoka povprečna starost vozil in njihovo slabo vzdrževanje (posebej pri avtobusih in drugih javnih vozilih) ter mestna prenatrpanost povzročajo emisije. UNEP je ocenila stroške izgubljenega časa in preveč porabljenega bencina - samo v Bangkoku znaša ocena milijardo ameriških dolarjev na leto (in dodatno eno milijardo zaradi zdravstvenih in drugih stroškov). Elektrarne in industrijski postopki so navadno stari, neučinkoviti in neučinkovito vodeni, kar samo še povečuje emisije prahu in druge vrste emisij. Sežiganje biomase, posebej v prebivališčih, povzroča v podeželskih predelih in v siromašnih delih mestnih naselij težave na dihalih. Vendar sta preskrba z energijo in njena raba v večini držav v razvoju med manjšimi povzročevalci v primerjavi z drugimi vzroki za lokalno onesnaženje. Tu gre predvsem za trdne odpadke, ki jih neredno odvažajo iz mest. Po nekaterih podatkih nad eno milijardo ljudi nima čiste vode, nad 1,7 milijarde ljudi pa nima sanitarnih naprav.

V razvijajočem se svetu umre dnevno 35.000 otrok. Okrog 75 % jih umre zaradi pljučnice, okoli 17 % pa zaradi oslovskega kašlja in ošpic. Akutne infekcije dihal pri otrocih in ženskah povzročajo predvsem dimni delci, ki nastajajo pri uporabi drv in živalskih odpadkov v tradicionalnih kuriščih. Dnevno je okoli 500 milijonov ljudi izpostavljenih koncentraciji dimnih delcev, ki je 3 do l40-krat večja od največje še priporočljive in znosne koncentracije.

9.2 Potencialna sprememba svetovne klime

Državni zbor RS je ratificiral okvirno konvencijo Združenih narodov o spremembi podnebja (Ur. l. RS št. 59, 19. 10. 1995). Konvencija o spremembi podnebja (KSP) je nastala kot odgovor na ugotovitve znanstvenikov, da lahko povečanje koncentracij toplogrednih plinov (TGP) v ozračju zviša povprečno temperaturo na Zemlji, z vsemi spremljajočimi posledicami, kot so premik klimatskih pasov v smeri od ekvatorja proti


poloma in od manjših k večjim nadmorskim višinam, zvišanje gladine morja, širitev puščav, sprememba režima padavin itd. To bi imelo posledice za naravne ekosisteme in tudi praktično za vse vrste človekovih dejavnosti. Eden od stavkov konvencije pravi: “Končni cilj te konvencije in vseh z njo povezanih pravnih inštrumentov, ki jih lahko sprejme konferenca pogodbenic, je v skladu z njenimi določili doseči ustalitev koncentracij TGP v ozračju na takšni ravni, ki bo preprečila nevarno antropogeno poseganje v podnebni sistem. Ta raven naj bi bila dosežena v takšnem časovnem obdobju, ki ekosistemom dovoljuje naravno prilagoditev spremembi podnebja, ki zagotavlja, da ne bo ogroženo pridelovanje hrane in ki omogoča trajnostni gospodarski razvoj.”

Najpomembnejši TGP so ogljikov dioksid (CO2), metan (CH4) in dušikov oksid (N2O). Koncentracije teh plinov so se začele povečevati z nastopom industrializacije, to je okrog leta 1860, tako se je koncentracija CO2 od takrat povečala za okrog 30 %, CH4 za okrog l45 % in N2O za okrog 15 %. Na CO2 pride okrog 70 % porasta učinka tople grede.

Zaradi povečevanja proizvodnje, prometa itd. se antropogene emisije teh plinov še naprej povečujejo, s tem pa tudi njihove koncentracije v ozračju. Njihovi glavni viri so: za CO2 zgorevanje fosilnih goriv za pridobivanje električne energije za industrijsko in javno porabo ter za ogrevanje in v prometu, za CH4 pridobivanje in distribucija premoga in nafte, kmetijstvo in odpadki, za N2O pa kmetijstvo. Dodatno prispeva k povečevanju koncentracij CO2 izsekavanje gozdov, ki pomenijo ponor za ta plin (to pomeni, da ga odvzemajo iz ozračja).

Nasprotni učinek kot TGP imajo v povprečju aerosoli (drobni delci v ozračju), na primer prah, dim, saje, delci, ki nastanejo po kemičnih reakcijah iz SO2, itd.; ti torej povzročajo ohlajanje, vendar je njihov prispevek precej manjši od nasprotnega prispevka TGP. Poleg tega je velika razlika med TGP in aerosoli v tem, da je življenska doba večine prvih od nekaj desetletij do več stoletij, drugih pa samo nekaj dni (slednje velja za troposferske aerosole; stratosferski, torej tisti v višjih zračnih plasteh, na primer ognjeniški pepel, pa se lahko zadržujejo tam tudi več let). Največja koncentracija aerosolov, predvsem sulfatnih, je nad srednjo Evropo, kjer je tudi Slovenija. Na tem območju je njihov učinek, nasproten toplogrednemu, po velikosti skoraj enak prispevku TGP, vendar v svetovnem merilu kljub temu ne pomeni veliko, z uvedbo čistilnih naprav pa se lahko zelo hitro močno zmanjša.

KSP je narejena na znanstveni podlagi, ki jo je pripravil medvladni “panel” za spremembo podnebja (angl. Intergovermental Panel on Climate Change - IPCC). To mednarodno strokovno telo je izdalo svoje prvo poročilo leta 1990. V njem so bili podani temelji delovanja TGP, šest scenarijev razvoja podnebja (brez ukrepov za zmanjšanje emisij TGP), narejenih na podlagi računalniških modelov globalne cirkulacije in na različnih predpostavkah gospodarske rasti, uporabe različnih energijskih virov, rasti prebivalstva itd., in pričakovane posledice zaradi spremembe podnebja. Po teh scenarijih naj bi se do leta 2100 dvignila povprečna letna temperatura na zemeljskem površju za 1,5 °C do 3,5 °C, kar bi povprečno gladino morja zvišalo za 15 do 95 cm (predvsem zaradi termičnega širjenja vode, delno pa zaradi taljenja ledu na polih in ledenikih).

9.3 Onesnaževanje zraka v Sloveniji

Ekološke razmere se v Sloveniji do leta 1988 niso bistveno spreminjale. Emisijski trendi so se gibali skladno s porabo energentov. V tem obdobju, z izjemo odstranjevanja trdnih delcev, ni bilo učinkovitih ukrepov za zmanjševanje emisij. Kot cilj omejevanja emisij so


bili sprejeti pomembni dokumenti, ki pa, žal, niso bili tudi finančno podprti.

Nedvomno so k zmanjševanju emisije žveplovega dioksida prispevali ukrepi iz odloka o mejnih količinah škodljivih snovi, ki se smejo spuščati v zrak. Ti ukrepi so se izvajali glede na finančno in tehnično možnost za posamezne energetske in industrijske objekte. K zmanjševanju emisije žveplovega dioksida je pomembno prispeval začetek obratovanja jedrske elektrarne Krško. Nadalje je pomembno prispeval k zmanjševanju emisije škodljivih snovi zemeljski plin, ki je znatno nadomestil druge energente.

Najbolj kritična je še vedno emisija žveplovega diksida.

Preglednica 9.1: Količine in deleži SO2 po področjih (v tonah)

1980 1985 1990 1992

Energetika 148.300 171.200 153.500 151.300

Industrija 55.000 40.200 21.500 15.100

Široka raba 28.600 26.300 17.200 19.600

Mobilni viri 2.400 2.500 2.700 2.300

Skupaj 234.800 240.200 194.900 188.300

Kot je razvidno, je energetika največji emitent (onesnaževalec) žveplovega dioksida v skupnem obsegu.

Preglednica 9.2: Največje emisije termoenergetskih objektov, posamezno in skupaj, ter ostali manjši termoenergetski objekti za leto 1992

TE Šoštanj (750 MW) 94.130 ton SO2

TE Trbovlje (125 MW) 28.670 ton SO2

TE-TO Ljubljana (120 MW + toplota) 16.950 ton SO2

Manjši termoenergetski objekti 11.550 ton SO2

Skupaj 151.300 ton SO2

Ekološke razmere se bodo postopno izboljševale. Gradnje čistilnih naprav, uvajanje čistejših goriv, tehnološke izboljšave in uvajanje okolju prijaznejših tehnologij bodo bistveno prispevali k čistejšemu okolju.


Preglednica 9.3: Zmanjšanje emisije SO2 od leta 1980 do 2010

Referenčno leto 1980 1992 2000 2005 2010

Zmanjšanje emisije (%) 0 20 45 60 70

Letna emisija SO2 (ton) 235.000 188.000 129.000 94.000 70.500

Preglednica 9.4: Vrednosti zmanjšanja emisij SO2, ki bodo dosežene s sanacijo termoenergetskih objektov v posameznem obdobju

1980 1992 2000 2005 2010

TE Šoštanj 88.500 94.100 24.000 11.000 10.000

TE Trbovlje 23.400 26.600 25.000 2.000 2.000

TE-TO Ljubljana 9.500 16.900 8.500 2.800 1.800

Manjši TE objekti 26.900 11.700 10.000 10.000 6.000

Skupaj 148.300 151.300 67.500 25.800 19.800

V naslednji preglednici so podane vrednosti emisije žveplovega dioksida po posameznih področjih in obdobjih in skupno. Z izgradnjo čistilne naprave na bloku 5 v TE Šoštanj bi že v letu 2000 dosegli zmanjšanje žveplovega dioksida za 60 %.

Preglednica 9.5: Vrednosti emisije žveplovega dioksida po posameznih področjih in obdobjih in skupno

1980 1992 2000 2005 2010

Energetika 148.300 151.300 67.500 25.800 19.800

Industrija 55.500 15.100 11.000 9.000 6.000

Široka raba 28.600 19.600 14.900 12.000 8.000

Promet 2.400 2.300 800 800 800

Skupaj 234.800 188.300 94.200 47.600 34.600

Predvidena sanacija predvsem termoenergetskih objektov pomeni pomembno zmanjšanje obremenitve celotnega okolja tako zraka kot zemlje, posredno tudi voda. Z bistveno manjšo emisijo žveplovega dioksida bo tako Slovenija izstopila iz skupine največjih onesnaževalcev in prišla v skupino najmanjših onesnaževalcev.

V skupini CEI (Centralno evropska iniciativa) pa bi bila Slovenija po obsegu emisije


žveplovega dioksida takoj za Avstrijo. Navedena primerjava temelji na skupni vrednosti emisije, številu prebivalcev in velikosti ozemlja.

Slovenija je podnebno zelo bogata, saj ima na svoji sorazmerno majhni površini kar tri podnebne pasove: sredozemskega, alpskega in celinskega - panonskega. Z dvigom temperature bi se ti pasovi premaknili, poleg drugih posledic bi bila ogrožena tudi zdaj zelo bogata biološka raznovrstnost, predvsem v gorskem svetu. Za ilustracijo, kakšno spremembo bi lahko povzročil dvig povprečne temperature za okrog 3,5 °C (zgornja meja pričakovanega dviga do leta 2100), naj navedem naslednji primer. Povprečna letna temperatura zadnjih desetletij je v Portorožu 13,6 °C, v Ljubljani pa 9,7 °C; v tem primeru bi torej dobili v Ljubljanski kotlini podnebje, podobno zdajšnjemu v slovenskem Primorju.

Slovenija lahko s svojo energetsko strategijo in z intenzivnejšim osveščanjem in izobraževanjem najširše javnosti kot tudi odločujočih političnih dejavnikov prispeva svoj sorazmerni del k reševanju omenjene globalne problematike, s tem pa tudi k preprečevanju oziroma zmanjševanju negativnih učinkov, ki bi jih sprememba podnebja povzročila pri nas.

LITERATURA

[1] Komunalna energetika: Zbornik 3. mednarodnega posvetovanja, Maribor 1994

[2] Republiški sekretariat za energetiko, “Energija za Slovenijo - Možnost razvoja”, Ljubljana 1991

[3] Komisija Svetovnega energijskega sveta, “Energija za jutrišnji svet”, Slovenska izdaja, Ljubljana 1994

[4] A. Kranjc, “Slabo bi bilo, če bi imeli v Ljubljani podnebje, kakršno je zdaj v Portorožu”, Delo 6. 12. 1995

Documents

PRETVARJANJE V ELEKTRIČNO ENERGIJO - lrf.fe.uni-lj.silrf.fe.uni-lj.si/fkkt_ev/Literatura/Pretvarjanje_v_elektricno_energijo.pdf · Predmet Splošna energetika je bil ob prenovi učnega