Embed Size (px)
Citation preview
OSNOVI ENERGETIKE
Snežana Drndarević
Andrijana Žekić
Beograd, 2014.
SADRŽAJ
UVOD 1
1. ENERGETIKA KAO NAUČNA DISCIPLINA 2
1.1 .Osnovni pojmovi 2
1.2. Klasifikacija oblika energije 2
1.3. Konverzija energije 4
2. FIZIČKI OSNOVI ENERGETIKE 7
2.1. Termodinamički osnovi energetike 7
2.1.1. Osnovni pojmovi 7
2.1.2. Prvi princip termodinamike i rad 8
2.1.3. Termodinamički ciklusi 9
2.2. Principi konvrezije mehaničke energije u električnu i obrnuto 12
2.3. Poluprovodnici 13
2.4. Atomsko jezgro kao izvor energije 16
2.5. O solarnoj energiji 21
2.6. Neki pojmovi iz elektrohemije 25
3. TOPLOTNE MAŠINE 26
3.1. Motori sa unutrašnjim sagorevanjem 26
3.1.1. Otov ciklus 27
3.1.2. Dizelov ciklus 29
3.2. Motori sa spoljašnjim sagorevanjem 32
3.2.1. Parna mašina 32
3.2.2. Parna turbina 34
3.2.3. Gasna turbina 36
3.3. Toplotne mašine sa inverznim ciklusom 39
4. ELEKTRIČNE MAŠINE 42
4.1. Generatori 42
4.1.1. Generator monofazne naizmenične struje 42
4.1.2 Alternator 44
4.1.3. Trofazni generator 44
4.2. Elektromotori 46
4.2.1. Sinhroni elektromotor 47
4.2.2. Asinhroni elektromotor 47
5. NUKLEARNA ENERGETIKA 49
5.1. Fisioni nuklearni reaktor 49
5.2. Tipovi fisionih nuklearnih reaktora 55
5.3. Budući fuzioni reaktori 58
5.4. Fuzioni nuklearni reaktor 61
6. KONVERZIJA SOLARNE ENERGIJE 70
6.1. Solarne (fotonaponske) ćelije 70
6.2. Fokusiranje Sunčevog zračenja 74
6.2.1. Sunčane peći 75
6.2.2. Centralni prijemnik sa heliostatima 75
6.3. Solarni kolektori 77
7. MHD METOD TRANSFORMACIJE ENERGIJE 79
7.1. Koncept MHD generatora 79
7.2. Nova generacija MHD generatora 84
8. KONVERZIJA HEMIJSKE ENERGIJE U ELEKTRIČNU 85
8.1. Galvanski elementi 85
8.1.1. Voltin element 87
8.1.2. Danijelov element 87
8.1.3. Leklanšeov element 88
8.1.4. Živina baterija 88
8.1.5. Srebrooksidne baterije 89
8.2. Akumulatori 89
8.2.1. Olovni akumulator 90
8.2.2. Nikl-kadmijumski akumulator 91
8.2.3. Nikl – metal hidridne baterije 92
8.2.4. Litijumske baterije 92
8.3. Gorive ćelije 94
9. OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE 100
9.1. Konvencionalni izvori 100
9.1.1 Hidroenergija 100
9.1.2. Energija vetra (Eolska energija) 103
9.2. Nekonvencionalni izvori 108
9.2.1. Unutrašnja energija mora i okeana 109
9.2.2. Energija plime i oseke 109
9.2.3. Energija talasa 111
10. GORIVA U UŽEM SMISLU 117
10.1. Fosilna goriva 117
10.1.1. Ugalj 117
10.1.2. Nafta i gas 118
10.1.3. Uljani škriljci i bitumenozni pesak 121
10.2. Vodonik 122
10.3. Biomasa 124
11. TRANSPORT GORIVA I ENERGIJE 126
11.1. Metodi akumuliranja 126
11.2. Transport goriva i energije 132
11.2.1. Transport fosilnih goriva 132
11.2.2. Transport toplotne i električne energije 133
12. ENERGETIKA I ŽIVOTNA OKOLINA 135
12.1. Uticaj eksploatacije nalazišta energetskih izvora 135
12.2. Uticaj konverzije energije na okolinu 137
12.2.1. Sagorevanje goriva 137
12.2.2. Uticaj nuklearnih elektrana 138
12.2.3. Toplotno opterećenje okoline 140
12.3. Energetska efikasnost 141
13. LITERATURA 143
1
UVOD Savremeni život nam nameće teme kojima počinjemo da se bavimo često nesvesni njihovog značaja. Mnoga znanja postala su deo naše opšte kulture. O njima razgovaramo sa porodicom, prijateljima, kolegama, delimo gledišta i prenosimo znanje i iskustva na mlađe generacije. Jedna od tih tema je energetika. Svi se pomalo bavimo njom, kao laici ili stručnjaci, ali svesni njenog značaja za civilizaciju. Ovaj udžbenik namenjen je studentima fizike - budućim nastavnicima i istraživačima. Sadrži osnovne ideje energetike kao nauke zasnovanih na bazičnim konceptima fizike. Izučavajući materijal u ovom udžbeniku postaje jasno da je svaka oblast fizike našla svoje mesto u energetici. Ideja primene stečenih teorijskih znanja u rešavanju aktuelnih globalnih problema u oblasti energetike predstavlja inspiraciju za generacije studenata. Kroz udžbenik je napravljen osvrt na osnovne ideje i postupke dobijanja energije. Ukazano je na nova tehnološka rešenja koja treba da doprinesu pomeranju težišta sa konvencionalnih na nekonvecionalne izvore energije. Mnogi su izazovi u praktičnoj realizaciji velikih projekata, kao što je ostvarivanje uslova za kontrolisanu fizuju, sintetisanje materijala otpornih na visoke temperature i korozivna dejstva fluida, osmišljavanje i realizacija ekonomski opravdanog procesa dobijanja vodonika, goriva višestruke namene. Takođe je niz zanimljivih problema, kao na primer eksploatacija energije vetra i energije mora i okeana, čija su tehnička rešenja zasnovana na istim zakonima fizike. Ukazuje se i na prirodnu vezu energetike i očuvanja životne sredine. Upravo zbog složenosti i multidisciplinarnosti, nemoguće je sve sadržaje obraditi sa istom pažnjom i dubinom. Ovaj udžbenik treba da predstavlja osnov za dalje izučavanje predloženih sadržaja. U Beogradu, Autori 12.07.2014. Snežana Drndarević Andrijana Žekić
2
1. ENERGETIKA KAO NAUČNA DISCIPLINA
Nagli porast potrošnje energije doveo je do razvoja nove naučne discipline, energetike. Energetika se bavi problemima dobijanja, transporta, uskladištenja i korišćenja energije u skladu sa potrebama ljudskog društva u celini. Potrebe su veoma različite po vrsti energije, količini, mestu i vremenu. Dakle, energetika predstavlja naučnu disciplinu koja se bavi proučavanjem različitih oblika energije, kao i tehničkim mogućnostima njihovog dobijanja, čuvanja i korišćenja. Sve, od stimulatora srčanog mišića do nuklearne elektrane, su teme energetike.
1.1 .Osnovni pojmovi Jedna od osnovnih fizičkih veličina u energetici je energija, odnosno sposobnost tela da vrši rad. Uobičajena oznaka u fizici je E, a merna jedinica u 1 J = 1 Nm ili u atomskoj i nuklearnoj fizici 1 eV. Osim ovih, u energetici se tradicionalno često koriste i druge merne jedinice. U daljem tekstu su navedene neke od njih, ali je radi sticanja predstave o njihovoj veličini data veza sa osnovnom, odnosno sa 1 J. Dakle, 1 elektronvolt [eV] = 1.602⋅10-19 J, 1 kalorija [cal] = 4.186 J, 1 kilovatčas [kWh] = 3.6⋅106 J = 3.6 MJ = 859.8 kcal, 1 tona ekvivalentnog uglja [tce] = 2.93076⋅1010 J = 29307.6 MJ, 1 tona ekvivalentne nafte [toe] = 4.1868⋅1010 J = 41868 MJ, 1 British thermal unit [Btu] = 1055 J =1.055 kJ. Energija se može pojaviti u različitim oblicima, npr. kao kinetička, potencijalna, hemijska, električna, toplotna, nuklearna, elektromagnetna. Takođe se može transformisati iz jednog oblika u drugi. Sledeća, veoma bitna fizička, veličina je snaga koja se definiše kao brzina promene energije, odnosno
dtdEP = . (1.1)
Merna jedinica za snagu je 1 W = 1 J/s.
1.2. Klasifikacija oblika energije
Sa stanovišta energetike svi oblici energiji mogu biti svrstani u tri kategorije i to u primarne, transformisane i korisne oblike.
3
Primarni oblici energije su oni koji se javljaju u prirodi i samo njihov mali deo može biti iskorišćen u svom prirodnom obliku. Veći deo se transformiše u neki drugi oblik energije koji je sa stanovišta energetike ekonomičniji za upotrebu ili tehnički pogodniji za transport. Sa stanovišta primenljivosti primarni oblici energije se dele na konvencionalne i nekonvencionalne. Konvencionalni se definišu kao oni kod kojih je energija koja se utroši za njihovo uvođenje u upotrebu manja od energije koja se u toku istog vremena može iskoristiti. Nekonvencionalni su oblici za koje još nije pronađen način korišćenja ili, ako je pronađen, nije ekonomičan te nema opšti značaj. Gorivom se može smatrati svaka supstanca koja nije sama od sebe dospela u stanje minimalne potencijalne energije, već se to događa ljudskom intervencijom. Konvencionalni oblici energije su energija fosilnih goriva, fisionih nuklearnih goriva (U i ), hidrosistema, i energija toplih izvora i oni imaju masovnu primenu. Nekonvencionalni oblici su kinetička energija vetra, energija plime i oseke, toplotna energija akumulirana u unutrašnjosti Zemlje i u morima, Sunčeva energija koja se može neposredno koristiti i energija fuzije lakih atoma.
Th
Osim podele na konvecionalne i nekonvencionalne, primarni oblici energije se, s
obzirom na mogućnost obnavljanja, mogu podeliti na one koji se prirodno obnavljaju i na one koji se ne obnavljaju. Neobnovljivi izvori se često nazivaju i iscrpivim jer je brzina trošenja veća od brzine ponovnog stvaranja.
U neobnovljive izvore spadaju fosilna goriva (ugalj, nafta, gas), geotermalni izvori
i nuklearna goriva, dok u izvore koji se prirodno obnavljaju spadaju vodotokovi, vetar, plima i oseka, unutrašnja energija mora i okeana kao i Sunčevo zračenje u takozvanom užem smislu. Drvo je specifičan primarni oblik energije koji se u principu može obnavljati.
Obnovljivi i neobnovljivi oblici energije se bitno razlikuju prema mogućnostima transporta i skladištenja, konstantnosti, troškovima neophodnim za izgradnju postrojenja, njihov pogon i održavanje.
Bitan nedostatak obnovljivih izvora je taj da snaga koju izvori daju nije konstantna već predstavlja funkciju vremena. Na primer, snaga vetra zavisi od trećeg stepena njegove brzine, intezitet zračenja Sunca zavisi od doba dana, odnosno prati dnevni ciklus, i slično. Većinu oblika energije ove grupe nije moguće akumulirati. Zbog promenjivosti snage nije moguće u svakom trenutku zadovoljiti potrebe potrošača, pošto se proizvodnja i potrebe vremenski ne poklapaju. Za razliku od njih, primarni oblici energije koji se ne obnavljaju, mogu se iskorišćavati prema potrebama potrošača uz konstantnost snage, pa se relativno lako mogu akumulirati i transportovati.
Danas se kao posledica razvijenih tehnoloških rešenja za eksploataciju goriva, dobijanje energije kao i konverziju u korisne oblike, akumulaciju, transport ali i konstantnost zadovoljenja potreba za energijom, značajno više eksploatišu neobnovljivi izvori. Istraživanja koja ukazuju na smanjenje njihovih zaliha polako pomeraju težište
4
istraživanja ka ekonomski opravdanim tehnološkim rešenjima za eksploataciju obnovljivih izvora energije.
1.3. Konverzija energije
Direktno iskorišćavanje primarnih oblika energije je danas od vrlo malog značaja s obzirom da je svedeno uglavnom na grejanje vodom iz toplih izvora, kao što je slučaj na celom Islandu, i isparavanje morske vode u solanama ili sušenje poljoprivrednih plodova pod uticajem Sunca. Takođe, drvo i fosilna goriva je moguće neposredno koristiti s obzirom da se dostavljaju potrošaču u prirodnom obliku. Njihovim sagorevanjem se hemijska energija transformiše u toplotu. Ipak, primarni oblici energije se uglavnom transformišu, raznim konverzionim procesima u korisne oblike potrebne potrošačima. Podsetimo se nekoliko poznatih konverzionih procesa: 1. Pri proticanju struje jačine I kroz otpornik otpornosti , električna energija se transformiše u toplotnu po Džulovom zakonu:
RRdtIdQ 2= gde je toplotna
energija oslobođena za vreme dQ
dt . 2. Na spoju dva metala pojavljuje se kontaktna razlika potencijala. Ako se od ova dva metala izgradi termopar, on daje električnu energiju na račun toplotne. Termoelektromotorna sila je, grubo uzevši, proporcionalna razlici temperatura spojeva termopara. 3. U provodniku koji se kreće kroz magnetno polje, indukuje se elektromotorna sila pri čemu se električna energija dobija na račun mehaničke. Indukovana elektromotorna sila je srazmerna jačini magnetnog polja i brzini kretanja provodnika. 4. Elektromotori pretvaraju električnu energiju u mehaničku, a fizički osnov ovog procesa je delovanje sile na provodnik sa strujom kada se ovaj nalazi u magnetnom polju. 5. Procesom sagorevanja hemijska energija se transformiše u toplotnu. 6. U hemijskim izvorima struje (baterije, akumulatori) hemijska energija se transformiše direktno u električnu. 7. Potencijalna energija vode (hidrosistemi i morska plima) pretvara se u kinetičku pomoću turbina, a zatim u električnu. 8. Kinetička energija vetra se transformiše u električnu. 9. Nuklearna energija se transformiše najpre u toplotnu, zatim u kinetičku pa u električnu. 10. Energija zračenja se obično transformiše u električnu ili toplotnu. Treba napomenuti da nije moguće u potpunosti svaki vid energije transformisati u korisni, odnosno u mehaničku, toplotnu, svetlosnu ili hemijsku energiju. Deo uložene
5
energije se bespovratno preda okolini a neke primarne oblike i nije moguće transformisati. Zbog toga je važna karakteristika svakog konverzionog procesa koeficijent korisnog dejstva (efikasnost) koji se definiše kao odnos dobijene i uložene energije:
η 2E
1E
1
2ηEE
= . (1.2)
U tabeli 1.1 date su, radi ilustracije, neke tipične vrednosti koeficijenata korisnog dejstva odabranih konverzionih procesa.
Tabela 1.1. Vrednosti koeficijenta korisnog dejstva tipičnih konverzionih procesa.
Pretvarač
(konvertor) oblik uložene
energije oblik dobijene
energije koeficijent korisnog
dejstva (%) benzinski motor hemijska mehanička 20 - 25
dizel motor hemijska mehanička 30 - 45 elektromotor električna mehanička 80 - 95
bojleri i turbine toplotna mehanička 7-40 hidraulična pumpa mehanička potencijalna 40 - 80
hidroturbina potencijalna mehanička 70 - 99 hidroturbina kinetička mehanička 30 - 70
električni generator mehanička električna 80 - 95 baterija hemijska električna 80 - 90
solarna ćelija zračenje električna 8-15 solarni kolektor zračenje toplotna 25 - 65
grejač vode električna toplotna 90 - 92
U nekim procesima konverzije uložene u korisnu, javljaju se i ″prelazni″ oblici energije. Na primer, u Dizel motorima toplota predstavlja prelazni oblik. Oslobađanje toplote uvek za posledicu ima smanjenje efikasnosti procesa konverzije u odnosu na njenu vrednost kada se toplota ne bi oslobađala. Često je ″prelazni″ oblik električna energija koja se ne koristi direktno već se konvertuje u, na primer, svelosnu. Pretvarač (konvertor) energije može biti uređaj, proces ili čitav sistem. Ukupna efikasnost složenog sistema jednaka je proizvodu efikasnosti njegovih komponenti i može biti veoma mala. Kao primer, u tabeli 1.2 je prikazana efikasnost delova sistema koji služi za pumpanje vode na visinu ulaganjem energije fosilnog goriva, i konačan rezultat.
Tabela 1.2. Efikasnost sistema
konvezija energije komponenta (konvertor)
koeficijent korisnog dejstva (%)
hemijska - mehanička dizel motor 30 mehanička -električna generator 80 električna - mehanička elektromotor 80
mehanička -potencijalna pumpa za vodu 60 ηsistema = 30% x 80% x 80%x 60% ≈ 12%
6
Visoka efikasnost sistema može se dobiti smanjenjem toplotnih gubitaka. To znači da toplotu dobijenu u nekom konverzionom procesu treba iskorisiti kao uloženu energiju u narednom. Praktična realizacija je moguća, na primer, u procesu kogeneracije biomase u kome se toplota dobijena u procesu proizvodnje električne energije može korisititi za zagrevanje u različitim industrijskim postrojenjima. Takođe, unutrašnja energija gasa na izlazu iz gasne turbine, može se koristiti za zagrevanje vode, odnosno pripremanje pare koja pokreće parnu turbinu.
6
2. FIZIČKI OSNOVI ENERGETIKE
Proizvodnja energije zasniva se na :
- trošenju goriva i - konverziji iz nekog drugog oblika putem raznih fizičkih procesa. Tehnički sistemi i tehnološki procesi se stalno menjaju, usavršavaju ili zamenjuju novim, ali su u osnovi svega zakoni fizike koji su trajni.
2.1. Termodinamički osnovi energetike
2.1.1. Osnovni pojmovi Termodinamika je nauka koja se, u osnovnom, bavi izučavanjem zakonitosti transformisanja energije u rad. Termodinamička ispitivanja vrše se na izabranom telu, ili skupu tela, izdvojenih u odredjenom i ograničenom delu prostora. Takav skup tela koja međusobno interaguju nazivaju se termodinamički sistem. U zavisnosti od interakcije datog sistema sa okolinom i drugim sistemima, odnosno od mogućnosti razmene masa i energije kroz granicu sistema, razlikuju se zatvoreni, otvoreni, i izolovani sistemi. Zatvoreni sistem sadrži konstantnu masu, ali je moguća razmena energije između sistema i okoline kroz granicu sistema. Primer koji ilustruje ovakav sistem je cilindar sa gasom zatvoren pokretnim klipom. Pri pomeranju klipa menjaju se zapremina i granica sistema, ali masa sadržana u cilindru ostaje nepromenjena. Sistem može da razmenjuje energiju sa okolinom u vidu toplote ili rada. Zatvoreni sistemi koji ne razmenjuju toplotu sa okolinom nazivaju se adijabatskim. Otvoreni sistem u principu razmenjuje energiju, u obliku toplote ili rada, kao i masu sa okolinom ili drugim sistemima. Izolovan sistem ne interaguje sa okolinom, dakle nema razmene energije i mase između sistema i okoline. Stanje termodinamičkog sistema se opisuje pomoću tri parametra i to temperature, pritiska i zapremine: Temperatura, T, definiše se kao mera zagrejanosti tela i karakteriše toplotno stanje sistema. S obzirom da toplota prelazi sa tela više na telo niže temperature, znači da temperatura definiše smer spontanog prelaza toplote sa jednog tela na drugo. Pritisak, p, je prema definiciji sila koja deluje normalno na jedinicu površine. Zapremina, V, je prostor koji zauzima n molova date supstancije.
Pod idealnim gasom podrazumena se sistem od velikog broja čestica (atoma ili molekula)
koji se kreću nasumično, imaju zanemarljivu zapreminu u poređenju sa zapreminom suda u
7
kome se nalaze (posmatraju se kao materijalne tačke), međumolekularne sile su zanemarljive s obzirom da su rastojanja između molekula velika, a sudari među molekulima su isključivo elastični. Na osnovu ovog može se zaključiti da se mnogi gasovi pri niskim pritiscima i visokim temperaturama mogu posmatrati kao idealni. Eksperimenti su pokazali sledeće: 1. ako se gas održava na konstantnoj temperaturi, pritisak određene količine gasa je obrnuto proporcionalan zapremini suda u kome se nalazi (Bojl-Mariotov zakon); 2. ako se pritisak gasa održava konstantnim, zapremina određene količine gasa je direktno proporcionalna temperaturi gasa (Šarlov zakon); 3. ako se zapremina gasa održava kostantnom, pritisak određene količine gasa je direktno proporcionalan temperaturi (Gej-Lisakov zakon). Ova zapažanja su objedinjena u jednačini stanja idealnog gasa:
nRTpV = (2.1) koja se može prepisati i ovako:
NkTRTNNRT
MmpV
A
=== (2.2)
gde su: n – broj molova, m – masa gasa, M – molarna masa gasa, N – broj čestica sadržan u 1 molu gasa, NA = 1.602⋅1023 mol-1 – Avogadrov broj čestica sadržan u 1 molu gasa, R = 8.314 J/molK – univerzalna gasna konstanta i k = 1.38⋅10-23 J/K – Bolcmanova konstanta. Dakle, parametri stanja gasa su međusobno povezani i svaka promena jednog izaziva promenu ostalih.
Ako je u pitanju izolovani termodinamički sistem, odnosno rezultanta svih spoljašnjih
sila na sistem je jednaka nuli, stanje sistema je jednoznačno određeno ako su poznata dva parametra stanja.
2.1.2. Prvi princip termodinamike i rad
Prvi princip termodinamike je specijalan slučaj Zakona održanja energije koji obuhvata promene unutrašnje energije U (zbir kinetičke i potencijalne energije molekula) i razmenu toplote Q i rada A sa okolinom. Matematička formulacija ovog zakona može se napisati u obliku AQU −=Δ (2.3)
. Dakle, kada sistem menja stanje od početnog do nekog krajnjeg, promena njegove unutrašnje energije jednaka je razlici razmenjene toplote sa okolinom i rada koji izvrši gas.
8
Treba napomenuti sledeće: 1. Promena unutrašnje energije UΔ ne zavisi od puta, tj. tipa procesa, kojim gas menja stanje od početnog do krajnjeg. 2. Veličina Q je pozitivna ako sistem prima toplotu, a negativna ako je predaje okolini. 3. Rad A je pozitivan kada sistem (gas) vrši rad nad okolinom, a negativan ako se rad vrši nad gasom. Najčešći procesi u kojima se menja termodinamičko stanje gasa su: 1. izotermski (T=const.), 2. izobarski (p=const.), 3. izohorski (V=const.), 4. adijabatski (kada nema razmene toplote sa okolinom, Q =0).
Navedimo ukratko osobine osnovnih procesa i rad dobijen na osnovu prvog principa
termodinamike. U tabeli su navedene formule zaQ , UΔ i A , za 1 mol radne supstancije.
Tabela 2.1. Rad kod izo procesa
proces
uslov
veza između parametara
uložena toplota
promena untrašnje energije
rad
izohorski
V=const.
p/T=const.
dTCdQ v= )( 12 TTCQ V −=
dQdU = )( 12 TTCU V −=Δ
0=dA A = 0
izobarski
p=const.
V/T=const.
dTCdQ p= )( 12 TTCQ p −=
dTCdU v= )( 12 TTCU V −=Δ
pdVdA = A p V V= −( )2 1
izotermski
T=const.
pV=const.
pdVdQ =)/ln( 12 VVTRQ =
0=dU 0=ΔU
pdVdA = )/ln( 12 VVTRA =
adijabatski
(izoentropski)
S=const.
pVκ=const.
0=dQ 0=Q
dTCdU v= )( 12 TTCU V −=Δ
dUdA −=)( 12 TTCA V −=
Pozitivan energetski bilans, odnosno dobijeni mehanički rad imaju procesi u kojima se povećava zapremina radne supstancije.
2.1.3. Termodinamički ciklusi
Termodinamički ciklus je niz termodinamičkih procesa posle kojih se termodinamički sistem vraća u početno stanje. Ako je na pV dijagramu smer ciklusa kao kretanje kazaljke na satu, kao rezultat takvog kružnog procesa može se dobiti mehanički rad. Drugi princip termodinamike govori o tome koliki je deo dovedene toplotne energije moguće pretvoriti u
9
mehaničku. Prema ovom principu, nemoguć je proces kojim se celokupna uložena toplotna energija transformiše u mehaničku, tj. rad. Toplotne (termodinamičke) mašine su uređaji koji uzimaju toplotnu energiju iz spoljašnjeg izvora i delimično je konvertuju u neki drugi oblik (mehaničku, električni i sl.), odnosno vrše koristan rad. Toplotne mašine sadrže radno telo, obično gas, i rade po zatvorenom termodinamikom ciklusu u toku kog radno telo apsorbuje toplotu od rezervoara na višoj temperaturi, mašina vrši koristan rad i deo energije se predaje toplotnom rezervoaru na nižoj temperaturi (hladnjaku). Na slici 2.1 je dat šematski prikaz jednostavne toplotne mašine.
Ako analiziramo šta se dešava sa unutrašnjom energijom radnog gasa kod kružnog ciklusa, vidimo da ona prilikom promene stanja menja svoju vrednost, ali tako da konačno ponovo poprima onu polaznu jer se radni gas vraća u početno stanje. Prema tome, unutrašnja energija na početku i na kraju zatvorenog procesa ima istu vrednost tako da je promena unutrašnje energije UΔ =0. Iz prvog principa termodinamike iz uslova UΔ =0 dobijamo
21 QQA −= (2.2)
Sa 1Q odnosno 2Q su označene primljena i predata količina toplote, A je dobijeni rad, temperature grejača i hladnjaka su 1T i 2T , respektivno. Dakle, kod zatvorenog kružnog ciklusa rad je jednak razlici dovedene i odvedene (otpuštene) količine toplote. Važan kriterijum konverzije dovedene količine toplote u mehanički rad je koeficijent korisnog dejstva
11η1
2
1
21
1
<−=−
QQQ
QA
. (2.3)
Karnoov ciklus Da bi se ocenio stepen kvaliteta termodinamičkog ciklusa mora postojati reper u odnosu na koji se ocenjivanje vrši. To je u termodinamici Karnoov ciklus. Karnoov ciklus vrši radno telo između dva izvora toplote konstantnih temperatura (grejača na temperaturi 1T i hladnjaka na temperaturi 2T , pri čemu je 21 TT > ). Karnoov ciklus je kružni proces koji je na pV dijagramu ograničen sa dve adijabate i dve izoterme (slika 2.2a). TS dijagram Karnoovog ciklusa je pravougaonik (slika 2.2b).
A
T1
T 2
1
2Q
Q
Sl. 2.1.Termodinamička mašina
10
a) b) Dobijeni rad na oba dijagrama predstavlja površina koju zatvara ciklus i iznosi 21 QQA −= . Koeficijent korisnog dejstva Karnoovog ciklusa je
1
21ηTT
−= . (2.4)
On dakle zavisi samo od temperatura toplijeg i hladnijeg rezervoara a ne i od osobina radne supstancije. Iz toga sledi da se može povećati ili povišenjem temperature grejača ili sniženjem temperature hladnjaka. Vrednost 1T je u praksi ograničena izdržljivošću materijala od kojeg je napravljen grejač, a vrednost 2T temperaturom okoline. Iako je Karnoov ciklus idealan i realne toplotne mašine ne rade po njemu, ipak se svaki drugi ciklus presecanjem nizom adijabata može svesti na niz Karnoovih. Karnoov ciklus prema tome leži u osnovi rada svih toplotnih mašina. Na osnovu formule za koeficijent korisnog dejstva može se zaključiti da u principu ni jedna radna supstancija nema prednost. Međutim primenu imaju isključivo gasovi pošto lako menjaju zapreminu, što vodi do jednostavnijih konstrukcionih rešenja. Pretvaranje toplotne energije u mehaničku i obrnuto vrši se širenjem odnosno sabijanjem gasa. Pošto se u termodinamičkim ciklusima koji imaju praktičnu primenu često javlja izobarski prelaz između dva stanja, zgodno je stanje radne supstancije opisati zbirom
pVUH += koji se naziva entalpija ili toplotni sadržaj i ima dimenzije energije. Entalpija je funkcija stanja. Prvi pricip termodinamike koji za takav slučaj glasi VpUQ Δ+Δ= , se svodi na HQ Δ= što se koristi pri izračunavanju koeficijenta korisnog dejstva. Bitna razlika između idealnih kružnih procesa i procesa koji se stvarno događaju u toplotnim mašinama je što se u idealnim pretpostavlja da nema gubitaka energije. Zanemaruje se uticaj trenja, zračenje u okolinu itd. Ovi faktori su bitni i utiču na smanjenje koeficijenta korisnog dejstva, tj. realni koeficijent korisnog dejstva je uvek manji od teorijskog.
T
S
T1
T2
2 3
4
A
114
3
2T =const1
T =const2
p
A
V
Sl. 2.2. Dijagram Karnoovog ciklusa: a) pV i b) TS
11
2.2. Principi konverzije mehaničke energije u električnu i obrnuto
Rad električnih mašina zasniva se na jednom od osnovnih koncepata fizike, Faradejevom zakonu elektromagnetne indukcije i delovanju Amperove sile.
Faradejev zakon elektromagnetne indukcije U provodnoj konturi smeštenoj u spoljašnjem magnetnom polju usled promene magnetnog fluksa dolazi do indukovanja elektromotorne sile. Ovo je suština Faradejevog zakona eletromagnetne indukcije čija je matematička formulacija:
dtdE Φ
−= (2.5)
gde je E indukovana elektromotorna sila (EMS), Φd promena magnetnog fluksa, a dt vremenski interval u toku kog se promena dešava. Kao posledica indukovanja EMS kroz zatvorenu provodnu konturu teći će struja koja oko konture indukuje sopstveno magnetno polje. Smer indukovane struje biće takav da se ona sopstvenim magnetnim poljem suprotstavlja uzroku svog nastanka. Ovo je Lencovo pravilo, a znak ″-″ u navedenoj formuli ukazuje na ovu pojavu.
Lorencova sila
Na česticu naelektrisanu količinom naelektrisanja q koja se kreće brzinom vr kroz magnetno polje indukcije B
r deluje Lorencova sila
BvqFrrr
×= . (2.6)
Intenzitet Lorencove sile je θ= sinqvBF , gde je θ ugao koji zaklapaju vektori vr i Br
.
Amperova sila Na provodnik kroz koji protiče struja u magnetnom polju deluje Amperova sila. Matematička formulacija Amperove sile je BlIF
rrr×= , (2.7)
gde je I jačina struje koja teče kroz provodnik dužine l u magnetnom polju indukcije B
r.
Vektor lr
je orijentisan prema smeru struje.
12
Amperova sila predstavlja osnovnu vezu između mehaničkih i magnetnih veličina. Njeno delovanje je jedna od osnovnih vidljivih manifestacija delovanja magnetnog polja i u osnovi je rada obrtnih električnih mašina.
Džulov zakon
Sa aspekta energetike važan je i Džulov zakon. On definiše količinu toplote dQ koja se u toku vremena dt oslobodi na otporniku otpornosti R kada kroz njega protiče struja jačine I :
RdtIdQ 2= . (2.8)
Ako je struja konstantna formula se svodi na RtIQ 2= , dok se kod naizmenične sinusne struje uzima njena efektivna vrednost. Džulova toplota predstavlja gubitak pri prenosu električne energije na daljinu metalnim provodnicima. Specifična otpornost metala raste sa porastom temperature tako da ovaj gubitak može biti vrlo značajan.
2.3. Poluprovodnici Poluprovodnički materijali imaju ogromnu primenu u svakodnevnom životu, pa i energetici. Naročito visok kriterijum kvaliteta ovih materijala nametnuo je razvoj elektronike. Za ove potrebe izrađuju se uglavnom kao monokristali. Kristali imaju pravilno, periodično uređenu strukturu tj. kristalnu rešetku. U kristalima se pozitivno naelektrisana jezgra atoma nalaze u čvorovima rešetke i formiraju zajedničku potencijalnu jamu za elektrone. Energetski nivoi elektrona su zbog uticaja električnih i magnetnih polja okolnih atoma rascepljeni na više bliskih podnivoa tako da se umesto diskretnih nivoa formiraju zone dozvoljenih vrednosti energije. One su međusobno razdvojene zabranjenim oblastima energije poznatim kao procep (gep). Elektroni popunjavaju dozvoljene zone počev od najniže u skladu sa principima kvantne mehanike. Najviša zona u kojoj ima elektrona kod većine atoma nije potpuno popunjena. Elektroni iz te zone igraju glavnu ulogu u povezivanju atoma u molekule, pa se ta zona naziva valentnom. Ako se elektron nađe u sledećoj dozvoljenoj zoni, praktično prestaje da bude vezan za atom, što uslovljava provodljivost datog materijala.
Kod poluprovodnika je širina zabranjene zone takva da neki od elektrona, uz mali
dodatak energije pređu iz valentne u provodnu zonu ostavljajući za sobom pozitivno naelektrisan jon, ″šupljinu″. Poluprovodnik postaje vrlo slab provodnik. Ova pojava se naziva sopstvena provodljivost. U čistom kristalu silicijuma broj slobodnih elektrona i broj šupljina moraju biti jednaki. Koncentracije ovih slobodnih nosilaca u čistom kristalu se nazivaju sopstvene koncentracije koje zavise od temperature po formuli:
13
)/exp(32 kTEBTn Gi −= . (2.9)
Bezdimenziona konstanta B zavisi od vrste materijala. Na primer, za silicijum iznosi 5.4 ⋅1031, dok je širina zabranjene zone gE = 1.12eV. Sopstvene koncentracije nosilaca su na sobnoj
temperature veoma male ( == ii pn 1.5⋅1016 nosilaca/m3) u odnosu na gustinu atoma u kristalu silicijuma (5⋅1028 atoma/m3). To znači da svaki milijarditi atom u kristalu daje par slobodnih nosilaca. Upravo zbog toga je silicijum veoma slab provodnik.
Ako se na krajeve kristala silicijuma priključi napon V (slika 2.3) doći će pod delovanjem električnog polja do usmerenog kretanja nosilaca naelektrisnja i to u suprotnim
smerovima. Pošto su elektroni i šupljine nosioci naelektrisanja suprotnog znaka, njihove će se struje efektivno sabirati. Dakle, gustina struje kroz poluprovodnik data je formulom EEpneJ ipin σ)μμ( =+= , (2.10)
gde je e =1.602⋅10−19 C - naelektrisanje elektrona, μn = 0.135 m2/Vs je - pokretljivost elektrona, a μp = 0.048 m2/Vs - pokretljivost šupljina. Veličine μn
i μp zavise od temperature. Na primer, na sobnoj temperaturi je σ = 4.4⋅10−4 S/m, što predstavlja slabu provodljivost.
Kada se u kristalnu rešetku četvorovalentnog poluprovodnika, kao što su germanijim i silicijum, unese primesa petovalentnih elemenata, ostaje pri formiranju kovalentnih veza po svakom atomu primese jedan nespareni, slabo vezan elektron, koji može praktično slobodno da se kreće kroz materijal. Nastaje tzv. primesna provodljivost. Pošto su u tom slučaju većinski slobodni nosioci naelektrisanja negativni elektroni, poluprovodnik dobija naziv n tipa a primesa je donor. Nasuprot tome, kada je primesa trovalentni atom, dobijaju se slobodne šupljine.To je p tip poluprovodnika a primesa je akceptor.
Ako se spajanjem p i n poluprovodnika formira p - n spoj, dolazi do prelaza slobodnih
većinskih nosilaca preko spoja u drugu oblast i do njihove rekombinacije (slika 2.4). U blizini spoja ostaju samo nepokretni naelektrisani atomi.
Sl.2.3. Proticanje sruje kroz poluprovodnik
14
+++
---
+++
++ ++
+++
- ---
---
---
Akceptor
Donor
ElektronŠupljina
Prelazna oblast
Spojp n
Ta oblast se naziva osiromašena oblast jer u njoj nema slobodnih nosilaca naelektrisanja i u njoj nepokretna naelektrisanja formiraju električno polje. To polje se suprotstavlja daljem kretanju nosilaca preko spoja. Na spoju se pojavljuje mala razlika potencijala, koja se naziva potencijalna barijera i p - n spoj postaje dioda. Veličina potencijalne barijere zavisi od poluprovodničkog materijala i nivoa dopiranja primesama. Kod silicijuma potencijalna barijera je u granicama od 0.6 V do 0.8 V, a kod germanijuma svega 0.2 V. Primena spoljašnjeg električnog polja suprotno usmerenog od barijere, vezivanjem p - n spoja za polove jednosmernog izvora, i to tako da je p – oblast vezana za pozitivan pol izvora, dolazi do smanjenja barijere i do lakšeg kretanja nosilaca kroz spoj. Većinski nosioci iz n - oblasti, elektroni, difuzijom prelaze u p - oblast, a većinski nosioci iz p oblasti, šupljine, difuzijom prelaze u n - oblast, gde dolazi do njihove rekombinacije. Pošto je električno kolo zatvoreno, postoji stalna difuzija nosilaca preko spoja, odnosno postoji struja kroz p - n spoj. Manjinski nosioci takođe prelaze preko spoja usled postojanja električnog polja, ali je zbog njihovog znatno manjeg broja njihov doprinos ukupnoj struji zanemarljiv.
Struja kroz, u ovom slučaju direktno polarisanu diodu, sadrži dve komponente i to struju osnovnih (difuziona struja) DI i struju sporednih nosilaca (struja usled delovanja električnog polja) EI odnosno
)/exp()1)/(exp()1)/(exp(
)/exp()/)(exp( 00
TSTSS
ED
VVIVVIkTeVIkTeVKkTVVeKIII
≈−=−=−−−−=−=
(2.11)
K je konstanta koja zavisi od dimenzija p – n spoja, V napon na spoju, V0 napon potencijalne barijere, k Bolcmanova konstanta, a T apsolutna temperatura. Struja IS je struja zasićenja p - n spoja i direktno je proporcionalna njegovoj površini. Kod silicijuma je reda 10 -15 A, dok je kod germanijuma oko 10-6 A na sobnoj temperaturi. Napon VT = kT/e se naziva temperaturni napon i na sobnoj temperaturi iznosi približno 25 mV.
Sl.2.4. p – n spoj
15
Anoda
Anoda
Katodap - tip n - tip
I
I
D
E
V
Katoda
Inverzijom polariteta spoljašnjeg izvora barijera se povećava i potpuno se blokira kretanje naelektrisanja. Na tome da, za razliku od metala, ne mogu da provode struju u oba smera se zasniva velika primena poluprovodnika u praksi.
2.4. Atomsko jezgro kao izvor energije
Kroz Ajnštajnovu specijalnu teroiju relativnosti definisan je uslov ekvivalencije mase i
energije prema relaciji 2mcE = . (2.12)
Koncept neuništivosti materije i njene ekspresije u dva osnovna oblika, mase i energije kaže da povećanje mase mora dovesti do smanjenja energije i obrnuto. Važnost ovog iskaza za energetiku slikovito pokazuju sledeći podaci:
- Energetski ekvivalent jednog kilograma mase iznosi 9⋅1016 J, - Maseni ekvivalent jednog kilovatčasa iznosi 0.000000000004 kg, - Procenjuje se da je čovečanstvo do sada potrošilo energiju čiji je maseni ekvivalent reda
veličine 100 t.
Ovo predstavlja osnov nuklearne energetike.
Pod nuklearnim gorivima se podrazumevaju oni elementi iz periodnog sistema čija atomska jezgra imaju osobinu da u izvesnim fizičkim procesima oslobađaju energiju. U nuklearnim procesima značajnim za energetiku učestvuju sledeće elementarne čestice:
Sl.2.5. Struje i raspodela naelektrisanja na direktno polarisanom p-n spoju
16
1. elektron - nosilac negativnog naelektrisanja od približno 1.6⋅10-19 C, mase mirovanja 9.1⋅10-31 kg. U pojedinim nuklearnim reakcijama pojavljuje se pozitron, čestica iste mase kao i elektron i iste količine naelektrisanja ali suprotnog znaka, 2. proton - ima masu mirovanja približno 1.67261⋅10-27 kg (1836 puta veća od mase elektrona), nosilac iste količine naelektrisanja kao i pozitron, 3. neutron - masa čestice je 1.67492⋅10-27 kg. Neutralna je čestica te lako ulazi u jezgra atoma i izaziva nuklearne reakcije, 4. foton - kvant elektromagnetnog zračenja. Nema masu mirovanja, u vakuumu se kreće brzinom od 2.9979⋅108
m/s, 5. neutrino - mase mirovanja bliske nuli (definitivna vrednost još uvek nije utvrđena) i nije nosilac naelektrisanja. Nastaje, između ostalog, kod pojedinih radioaktivnih raspada (najčešće kod emisija elektrona, poznatim kao β raspad). Sa veoma pojednostavljenog gledišta može se reći da se jezgro atoma sastoji od protona i neutrona, a da se oko jezgra nalazi negativno naelektrisan elektronski oblak, pri čemu je broj protona u jezgru jednak broju elektrona u omotaču. Protoni i neutroni se nazivaju nukleonima. Ako je broj protona u jezgru Z, a neutrona N, atomski broj datog jezgra (broj nukleona u jezgru atoma) iznosi A=Z+N. Sile koje obezbeđuju stabilnost atomskih jezgara, uprkos kulonovskog odbijanja između protona, nazivaju se nuklearnim silama. Broj protona u jezgru kao i broj elektrona u omotaču određuju prirodu atoma svakog hemijskog elementa. Ako se broj neutrona u jezgru promeni, hemijske osobine atoma se neće promeniti. Zbog toga su atomi sa različitim brojem neutrona, ali istim brojem protona u jezgru sa hemijskog stanovišta isti. Ipak, fizičke osobine ovih atoma poznatih pod nazivom izotopi mogu biti veoma različite. Izotopi se dele na stabilne i radioaktivne. Za nuklearnu energetiku su od posebnog značaja izotopi urana. Udeo atoma pojedinih izotopa u prirodnom uranu je U234
92 -
0.057%, U23592 - 0.72%, U238
92 - 99.27%. Takođe su sa stanovišta energetike značajni i izotopi vodonika 1H, 2H i 3H. Izotop 2H je stabilan i poznat pod nazivom deuterijum. Često se označava sa D. Izotop 3H je radioaktivan i poznat kao tricijum. Često se označava sa T. Svi izotopi su klasifikovani u tzv. kartama nuklida koje sadrže podatke o preko 1500 stabilnih i radioaktivnih izotopa.
Razlika zbira masa protona i neutrona koji čine jedno jezgro i mase samog jezgra naziva
se defekt mase: Anp mNmZmm −+=Δ )( . (2.13)
U ovom izrazu su sa pm , nm i Am označene mase protona, neutrona i jezgra kao celine,
respektivno. Defekt mase stabilnih jezgara je pozitivan, a masi mΔ odgovara prema Ajnštajnovoj relaciji energija 2mcB Δ= (2.14)
koja se naziva vezivna energija jezgra. Ona je oslobođena pri formiranju jezgra, što znači da su atomska jezgra sa stanovišta energije stabilniji sistemi od skupa slobodnih nukleona. Za razbijanje stabilnog jezgra na slobodne nukleone potrebno je uložiti energiju veličine B.
17
Odnos AB / je vezivna energija po nukleonu i uzima se kao mera stabilnosti. (Ovo je prosečna vrednost pošto je vezivna energija protona nešto veća nego vezivna energija neutrona. Razlog je Kulonova barijera koju osećaju samo naelektrisani nukleoni, tj. protoni.) Zavisnost
)(/ AfAB = je prikazana na slici (2.6).
0 50 100 150 200 250 0
2
4
6
8
10
A
B/A
(MeV
)
Maksimum stabilnosti se sreće kod jezgara sa A oko 60 (gvožđe, bakar, nikl, hrom, bakar, cink) jer je kod njih najveća energija veze po nukleonu, a zatim se uočava lagani pad prema teškim jezgrima. Maksimalna vrednost energije veze po nukleonu je oko 8.8 MeV, dok je kod urana (A=238) pala na približno 7.6 MeV. Dakle, u nuklearnim reakcijama se oslobađa energija samo u slučajevima kada se formira stabilnije jezgro, koje ima veću energiju veze po nukleonu od jezgara koja stupaju u reakciju.
Prema tome, moguća su dva tipa nuklearnih reakcija u kojima se oslobađa energija sadržana u jezgrima atoma i to:
1. fisija - nuklearna reakcija cepanja teških jezgara i
2. fuzija - nuklearna reakcija spajanja lakših jezgara.
Fisija
Fisija je raspad jezgra na dva ili više fragmenata približnih masa uz oslobađanje energije. Mehanizam fisije se može objasniti modelom jezgra u vidu kapi. Prema ovom modelu, u jezgru deluju sila “površinskog napona” (privlačna sila između površinskih nukleona) koja teži da jezgru da sferni oblik i odbojna elektrostatička sila između protona u jezgru. Energija uneta, na primer, zahvatom neutrona unosi poremećaj u ravnotežu sila. Ovo dovodi do oscilovanja i deformacije jezgra. Ukoliko je sila površinskog napona dovoljno jaka, jezgro se vraća u sferni oblik i odaje višak energije u vidu γ - kvanta. Kod teških jezgara sa velikim brojem protona i jakom odbojnom elektrostatičkom interakcijom, deformacija jezgra može dovesti do cepanja jezgra na dva dela, odnosno do fisije atoma. Faze fisije su ilustrovane slikom (2.7).
Sl. 2.6. Zavisnost energije veze po nukleonu od atomskog broja
18
Spontana fisija se događa kod jezgara koja imaju odnos 45/2 >AZ . Ostala jezgra mogu postati fisibilna ako im se dovede energija, odnosno naruši stabilnost. Energija se obično dovodi bombardovanjem neutronima.
Neka je X simbol teškog jezgra, čija je fisija izazvana zahvatom neutrona. Ako se ono raspada na dva fragmenta 1L i 2L (lakša jezgra) pri čemu se oslobodi ν neutrona, proces se može predstaviti sledećom reakcijom: EnLLXnX A
ZAZ
AZ
AZ +ν++→→+ + 1
02111
02
2
1
1. (2.15)
Ukoliko imaju odgovarajuću energiju, ν oslobođenih neutrona nastavljaju reakciju sa jezgrima elementa X i broj fisija može naglo da raste ako je 1>ν . Ovakav proces se naziva lančana reakcija. Nekontrolisana lančana reakcija se koristi kod nuklearnog oružja, dok je kontrolisani proces izvor energije u nuklearnim elektranama.
5
5 5ff
ff
ff
ff
ff
ff
ff8
89
99
5
8
Pu
Pubeg neutrona
neutronjezgro urana-235jezgro urana-238
jezgro urana-239
fisioni fragmenti
Jedan broj neutrona nastalih u procesu fisije izleti iz sistema ili biva apsorbovan u njemu. Zbog toga je je analiza mogućnosti reprodukcije fisijskih neutrona, tj. analiza mogućnosti ostvarenja samoodržavajuće lančane reakcije unutar određenog sistem, jedan od osnovnih elemenata teorije nuklearnog reaktora. Uslovi za samoodržavajuću lančanu reakciju su ispunjeni ako se početni broj neutrona sadržan u sistemu ne smanjuje.
Sl. 2.7. Fisija izazvana upadom neutrona u jezgro
Sl. 2.8. Prikaz lančane reakcije
19
Jezgra izotopa urana U23592 i U238
92 i izotop plutonijuma Pu23994 fisijom oslobađaju
neutrone energije koja je dovoljna za nastavljanje procesa, tj. lančanu reakciju. Zbog toga se samo ova tri izotopa smatraju fisionim gorivima. Izotop U235
92 se nalazi u prirodi i to najčešće u obliku oksida 83OU , ali ga u prirodnoj smeši uranovih izotopa ima samo 0.7%, dok dominantni
deo smeše čini izotop U23892 . Ostalih fisionih goriva u prirodi nema, već se proizvode iz urana i
torijuma bombardovanjem neutronima:
PuNpUnU23994
23993
,23992
10
23892 ⎯→⎯⎯⎯→⎯→+
−− ββγ (2.16)
UPaThnTh23392
23391
,23390
10
23290 ⎯→⎯⎯⎯→⎯→+
−− ββγ . (2.17) Energija dobijena fisijom U235
92 iznosi oko 200 MeV i raspoređuje se na čestice koje nastaju u tom procesu na sledeći način prikazan u tabeli 3:
Tabela 3. Raspodela energije oslobođene fisijom
Generisana energija [MeV]
Iskoristiva energija [MeV]
1. Kinetička energija fragmenata 168 168 2. Kinetička energija neutrona 5 5 3. Energija trenutnog γ - zračenja 7 7 4. β - zračenje fragmenata (fragmenti su
radioaktivni) 5 -
5. γ - zračenje fragmenata 7 7 6. Kinetička energija neutrina iz β - raspada
fragmenata. 12 -
7. Sekundarno γ - zračenje - 3 8. β - zračenje 8 8 9. UKUPNO 207 198
Dakle, energija fisije je najvećim delom energija fragmenata. Ta energija se u sudarima fragmenata sa atomima okolnog materijala pretvara u toplotu koju je moguće iskoristiti.
Fuzija
Da bi se dobila energija procesom fuzije potrebno je manje stabilna jezgra ujediniti u formu mnogo stabilnijeg. Analizom grafika )(/ AfAB = dolazi se do zaključka da je, osim fisije, i spajanje dva laka jezgra u jedno stabilnije takođe egzotermna reakcija. Ipak, potrebno je dva jezgra dovesti na tako malo međusobno rastojanje kako bi mogla biti savladana odbojna Kulonova interakcija među njima. Ako je temperatura vrlo visoka, osim što je brzina veća, atomi su još i jonizovani pa jezgra prilaze na manja međusobna rastojanja tako da je fuzija verovatnija.
20
Najperspektivniji izotopi za reakciju jesu izotopi vodonika (Z=1) i to iz dva razloga:
1. Prema grafiku )(/ AfAB = oni oslobađaju maksimalnu energiju u reakciji pošto kao rezultat fuzije nastaje izuzetno stabilan helijum (α - čestica), 2. Kulonova odbojna interakcija među jezgrima atoma je minimalna. Neke od zanimljivih reakcija su sledeće:
1. γ+→+ HeHH 32
21
11 + 5.49 MeV (2.18)
2. γ+→+ HeHH 42
21
21 + 23.85 MeV (2.19)
3. nHeHH +→+ 32
21
21 + 3.27 MeV (2.20)
4. HHeHH 11
32
21
21 +→+ + 4.03 MeV (2.21)
5. nHeHH +→+ 42
31
21 +4.03 MeV (2.22)
6. HHeHeH 11
42
32
21 +→+ + 18.35 MeV (2.23)
U reakcijama sa vodonikovim izotopima oslobađa se značajna količina energije u obliku kinetičke energije novonastalih čestica.
Da bi se napravila procena koje su od predloženih reakcija reakcija najperspektivnije, opšti kriterijumi bi bili sledeći: 1. oslobađanje velike količina energije u reakciji, 2. minimalna energija potrebna za pokretanje reakcije, 3. da je reakcija brza, odnosno da ima veliku verovatnoću, 4. da je jednostavna (ukoliko je moguće i jeftina) za realizaciju. U reakcijama (1) i (2) deo energije se oslobađa kao γ zračenje. Dakle, reakcija nije efikasna. U reakcijama (3) i (4) je mnogo verovatnije da će energija biti oslobođena u vidu kinetičke. Reakcija (5) je još zanimljivija. U reakciji se oslobađa više energije, ista je Kulonova barijera kao u HH 2
121 − reakciji, ali je veći efikasni presek. Ipak, s obzirom da je tricijum radioaktivan
neophodno je olovo kao zaštita. U reakciji (6) nema radioaktivnih komponenata. Nedostatak u odnosu na reakciju (5) je taj što je Kulonova barijera viša, a prednost se ogleda u tome što se u reakciji emituju samo naelektrisane čestice iz kojih je lakše dobiti energiju, za razliku od neutrona.
2.5. O solarnoj energiji
Sunce je jedna od zvezda Mlečnog puta i predstavlja, u najvećem delu, gasni oblak od
vodonika i helijuma. Kreće se kroz svemir brzinom od 20 km/s i obrne se oko sopstvene ose za približno 28 dana. Prečnik Sunca je oko 109 puta veći od prečnika Zemlje, zapremina oko 106 zapremina Zemlje, a masa oko 300 000 puta mase Zemlje. Gustina raste od površine ka centru i
21
u proseku iznosi 1400 kg/m3. Prosečno rastojanje do Zemlje u toku godine je 1.49 ⋅1011m. Temperatura površine je 5800 K, a jezgra 1.5⋅107 K.
Protonski ciklus Energija se na Suncu oslobađa u procesima fuzije. Pretpostavlja se da se na nižim temperaturama, reda nekoliko hiljada kelvina tj. bliže površini, odvija tzv. protonski ciklus koji počinje sledećim reakcijama:
11
11
12H H H e e+ → + ++ ν (2.24)
12
11
23H H He+ → + γ . (2.25)
U prvoj reakciji se oslobađa dodatna energija iz anihilacije pozitrona:
γ2→+ −+ ee . (2.26)
Ciklus se u daljem toku može realizovati na tri načina. Prvi podrazumeva reakciju između dva atoma helijuma He3
2
HHeHeHe 11
42
32
32 2+→+ . (2.27)
Dva protona sa kojima je započeo proces pojavljuju se ponovo na njegovom kraju, odakle i potiče naziv ″ciklus″. Ova reakcija je na Suncu veoma česta i dešava se 69 % vremena. Druga moguća reakcija podrazumeva interakciju atoma He3
2 i He42 . Dakle,
γ+→+ BeHeHe 7
442
32 (2.28)
eLieBe ν+→+ − 73
74 (2.29)
HeHLi 42
11
73 2→+ . (2.30)
Ova reakcija je prisutna u oko 31 % vremena. Treća reakcija je slična drugoj ali se u ovom slučaju berilijum ne kombinuje sa protonom nego sa elektronom. Dakle, eeBeHBe ν++→+ −8
411
74 (2.31)
.242
84 HeBe → (2.32)
Ova reakcija se odigrava u svega 0.09 % vremena i nije značajna sa energijskog aspekta.
22
Kao konačan ishod protonskog ciklusa, na račun šest slobodnih protona se dobija jezgro He4
2 i oslobodi se energija od 26.77 MeV. Međutim, energija oslobođena u vidu γ zraka i neutrina u navedena tri moguća načina realizacije ciklusa je različita. Na primer, u prvom neutrino nosi 2 % energije, u drugom 4 % a u trećem čak 28% energije.
Beteov ugljenični ciklus
U središtu Sunca temperatura je reda 107 K a pritisak 1014 Pa. Pod takvim uslovima verovatniji je tzv. Beteov ugljenični ciklus. U reakciju su uključeni ugljenik, azot i kiseonik kao katalizatori. Beteov ugljenični ciklus se sastoji od sledećeg niza reakcija:
γ+→+ NHC 137
11
126 (2.33)
eeCN ν++→ +136
137 (2.34)
γ+→+ NHC 147
11
136 (2.35)
γ+→+ OHN 158
11
147 (2.36)
eeNO ν++→ +157
158 (2.37)
HeCHN 42
126
11
157 +→+ (2.38)
Rezultat ciklusa je formiranje jezgra He4
2 pri čemu se utroše četiri protona uz oslobađanje energije od 26.8 MeV.
Prenos energije, oslobođene u fuziji, sa Sunca kroz prostor se odvija emisijom
elektromagnetnog zračenja koje predstavlja jedan od načina bezkontaktnog prenošenja. Sva tela zrače ali i apsorbuju energiju u obliku elektromagnetnih talasa. Ukupna energija
koja padne na neko telo biva delimično reflektovana, apsorbovana i transmitovana (propuštena). Verovatnoća svakog od ovih procesa definisana je koeficijentima apsorpcije (a), refleksije (r) i transmisije (t) . Iz uslova važenja Zakona održanja energije važi da je a + r + t = 1.
1 r
a
t
(λ)
(λ)
(λ)
Sl. 2.9. Apsorpcija, refleksija i transmisija zračenja
23
Količina toplote Q koju izrači apsoluno crno telo za vreme t sa površine S jednaka je
tSTQ 4σ= . (2.39)
gde je σ = 5.7⋅10-8 W/m2K4 Stefan-Bolcmanova konstanta, a T apsolutna temperatura.
Energija koju crno telo izrači sa jedinice površine u jedinici vremena naziva se ukupna emisiona moć (W) i data je tzv. Stefan – Bolcmanovim zakonom
4TW σ= . (2.40)
Emisiona moć bilo kog tela zavisi od relativne emisione moći tela e (0 < e < 1), koja je
karakteristika materijala i zavisi od strukture površine tela koje zrači, odnosno
4e TeW σ= . (2.41)
Raspodela Sunčevog zračenja u funkciji talasne dužine naziva se spektar Sučevog
zračenja. Odgovara spektru zračenja crnog tela temperature oko 5776 K. Spektar Sunčevog zračenja obuhvata infracrvenu (> 0.7 μm), vidljivu (0.4–0.7 μm) i ultraljubičastu oblast (< 0.4 μm).
Procenjena gustina srednje snage Sunčevog zračenja izvan atmosfere Zemlje iznosi
(1366 ± 3) W/m2. Ova vrednost je poznata kao solarna konstanta i bitna je u proučavanjima ukupne energetske ravnoteže Zemlje i klime na njoj. Solarna konstanta predstavlja količinu Sunčevog zračenja koju primi, izvan Zemljine atmosfere, jedinična površina normalna na upadno zračenje, u jedinici vremena pri srednjem rastojanju Zemlje od Sunca. Uzimajući da je radijus Zemlje približno (2/π)⋅107 m, ukupna snaga Sunčevog zračenja koja se emituje ka Zemlji iznosi 1366 x(4/π) x10 14W ≈1.73x1017 W. Ukupna energija Sunčevog zračenja koje dolazi do Zemlje u toku godine iznosi približno 5.46 x 10 24 J.
Da bi stekli predstavu kollika je energija u pitanju, navešćemo primer da je u periodu od
2005 do 2010 godine godišnja potrošnja energije u čitavom svetu iznosila približno 500 EJ. Dakle, samo 0.01 % Sunčeve energije koja u koja u toku godine dospe na Zemlju može da zadovolji energetske potrebe celog sveta.
Ipak, ne dospe do površine Zemlje sva energija koju Sunce emituje. Oko 30 % se rasejava natrag u svemir, i to oko 20 % reflektuju oblaci, 6 % se rasejava na različitim molekulima koji se nalaze u vazduhu, a 4 % reflektuje površina Zemlje. Oko 16 % zračenja apsorbuju vodena para, prašina i ozon O3, oko 4 % oblaci i čak 50 % apsorbuje čvrsta površina Zemlje (slika 2.10). Dakle, ukupno zračenje koje prime atmosfera i Zemlja iznosi oko 70 %. Zemlja bi trebalo da je u toplotnoj ravnoteži sa okruženjem. I zaista, 70 % solarne energije koja uđe u atmosferu i Zemlju vraća se natrag u svemir u vidu toplotnog zračenja.
24
50%
4%
16%apsorbovanou H 0, pra
2šini i O3
Upadno zračenje100% 6% 20% 4%
Reflektovano zračenje
od vazduha
od oblaka
od tlaapsorbovano u oblacima
2.6. Neki pojmovi iz elektrohemije
Elektrohemija je nauka koja proučava međusobnu konverziju hemijskih i električnih
vidova energije i zakone po kojima se ta konverzija odvija. Neki do osnovnih pojmova vezanih za ulogu atoma i molekula i jedinjenja u elektrohemiji su:
- Jonska veza kojom se formiraju molekuli od dva atoma koji imaju različit afinitet prema elektronima. Jedan ih lako otpusta a drugi prima zahvaljujući različitoj popunjenosti najvišeg energetskog nivoa. Tako nastaju pozitivan i negativan jon koje na okupu drži Kulonova sila. Primer je molekul NaCl.
- Kovalentna veza nastaje kada valentni elektroni dva atoma formiraju zajednički
elektronski oblak kao što je slučaj sa molekulom H2.
- Elektrolitička disocijacija je razlaganje molekula elektrolita na jone u vodenom rastvoru. Razlog je slabljenje Kulonove sile izazvano velikom dielektričnom konstantom vode.
- Elektrohemijski ekvivalent je masa supstance koja se izdvoji na elektrodi prilikom
elektrolize strujom jačine 1 A za jednu sekundu.
- Elektrodni potencijal nekog metala predstavlja vrednost elektromotorne sile koja nastaje kada se u elektrolit postave vodonična i elektroda od tog metala.
Sl. 2.10. Interakcija sunčevog zračenja sa atmosferom
26
3. TOPLOTNE MAŠINE
Toplotne mašine su uređaji kojima se vrši konverzija toplotne energije dobijene sagorevanjem goriva u mehanički rad. U širem smislu, ovde spadaju i rashladni uređaji i toplotne pumpe koji vrše inverznu transformaciju. Konverzioni procesi se zasnivaju na zakonima termodinamike.
Podela toplotnih mašina
Toplotne mašine se dele na klipne i turbo mašine prema uređaju koji na račun širenja gasa dobija mehaničku energiju. U klipnim mašinama pokretni deo je klip kojeg gas pri širenju potiskuje i koji je obično povezan sa osovinom nekog zamajca. U turbo mašinama pokretni deo je rotor na kojem se nalaze lopatice čije obrtanje izaziva strujanje gasa. Na osnovu toga gde sagoreva gorivo koje daje potrebnu toplotnu energiju, toplotne mašine se dele na motore sa unutrašnjim i spoljašnjim sagorevanjem. Od motora sa unutrašnjim sagorevanjem najznačajniji su Otov i Dizelov motor, a spoljašnje sagorevanje se vrši kod parne mašine i turbina.
3.1. Motori sa unutrašnjim sagorevanjem
Motori sa unutrašnjim sagorevanjem su od izuzetnog značaja u svakodnevnom zivotu. Kao primer, na slici (3.1) prikazan je princip rada četvorotaktnog benzinskog motora. Pri kretanju klipa na gore u cilindru se sabija smeša vazduha i benzinske pare (a). Zatim sledi paljenje, brzo širenje gasa i predaja energije kolenastoj osovini, (b). Pri sledećem kretanju klipa naviše otvara se odgovarajući ventil i izbacuje se iskorišćeni gas iz cilindra, (c). Najzad, pri ponovnom kretanju klipa naniže otvranje drugog ventila omogućava da u cilindar dolazi sledeća porcija gorive smeše (d).
a b c d
Sl.3.1. Princip rada četvorotaktnog benzinskog motora
27
Svaki od ovih procesa je ireverzibilan i praćen trenjem, turbulencijama, hemijskim promenama radne supstancije itd.
Termodinamički ciklus realnog motora sa uobičajenim vrednostima parametara stanja dat je na slici (3.2). Ulazak i izbacivanje smeše ovde nisu prikazani. Očigledno je da ciklus ne čine strogo definisani izoprocesi (izotermski, adijabatski,...) tako da je izračunavanje koeficijenta korisnog dejstva složeno. Zbog toga ćemo analizirati dva ciklusa u kojima se radna supstancija smatra idealnim gasom koji ne trpi hemijske promene, a koji su od velikog praktičnog značaja. Trenje klipa o zidove cilindra ćemo zanemariti kao i sve ostale disipativne procese.
3
2 4
1
p(kPa)
V( )l
TTTT
1====
78o
o
o
o
CC
CC
2 555
3 2500
4 1000
150
100
50
1 2 3
200
Sl.3.2. Termodinamički ciklus realnog motora
3.1.1. Otov ciklus
Otov ciklus se sastoji se iz dve adijabate i dve izohore, kao što je prikazano na slici (3.3 a i b). Radna supstancija koja se dovodi u cilindar motora je smeša vazduha i raspršenog goriva. U stanju 1 cilindar motora je napunjen gorivom smešom benzina i vazduha. Do stanja 2 vrši se adijabatsko sabijanje što je praćeno porastom temperature. Tada dolazi do paljenja varnicom koju daje svećica.
Sagorevanje je praktično trenutno i usled zagrevanja pritisak raste do stanja 3 pri konstantnoj zapremini. U stanju 3 završeno je dovođenje toplote. Zatim nastupa adijabatsko širenje do stanja 4 uz pad temperature. To je korisni deo procesa pošto se vrši rad. U stanju 4 otvara se ventil kojim se izduvni gasovi ispuštaju u okoinu do stanja 1'. Od 1' do 1 ubrizgava se nova količina smeše pri pritisku koji je približno jednak atmosferskom.
a) b)
T
S
1
2
3
4
1
4
3
2
p
V
1'
2 1V V
Sl. 3.3. Dijagram Otovog ciklusa: a) i b) TpV S
28
Iz goriva je apsorbovana količina toplote
)( 231 TTmcQ V −= (4.1) gde je m masa gorive smeše, a otpuštena količina toplote iznosi
)( 142 TTmcQ V −= (4.2) gde je cV cpecifični toplotni kapacitet pri stalnoj zapremini. Koeficijent korisnog dejstva će biti
23
14
1
2 11ηTTTT
−−
−=−= , (4.3)
odnosno
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
−=1
11η
2
32
1
41
TTT
TTT
. (4.4)
Jednačina adijabatskog sabijanja je 122
111
−− = κκ VTVT , odnosno 1
1
2
2
1
−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
κ
VV
TT
, a
adijabatskog širenja , odnosno 123
114
−− = κκ VTVT1
1
2
3
4
−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
κ
VV
TT
, gde je Vp CC=κ .
Dakle, sledi da je pa je koeficijent korisnog dejstva ciklusa 3241 // TTTT =
1
1
22
1 111η −
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=−= κ
VVT
T, (4.5)
odnosno 1
11η−κε
−= . (4.6)
Odnos naziva se stepen kompresije. Koeficijent korisnog dejstva zavisi od vrste radne supstancije preko
21 /ε VV=κ i raste sa porastom stepena kompresije. Pri velikim
vrednostima stepena kompresije (većim od 12) dolazi do samozapaljivanja smeše goriva i vazduha u cilindru motora. U zavisnosti od vrste goriva obično je u intervalu od 5 do 10. Na primer, kod automobilskih motora je oko 8.5.
29
Slika (3.4) prikazuje zavisnost koeficijenta korisnog dejstva od stepena kompresije. Temperature i u praksi imaju vrednosti oko 1300 K odnosno 500 K. Odgovarajući Karnoov ciklus bi imao stepen iskorišćenja
3T 4T
4 8 12
10
20
30
40
50
η(%)
ε16
6.0η3
43 =−
=T
TT.
Za vrednosti parametara =ε 9 i =κ 1.4, koeficijent korisnog dejstva Otovog ciklusa ima vrednost 0.58. Kod realnih motora koji rade po ciklusu bliskom Otovom, ostvaruje se sledeća raspodela energije:
=η
Sl.3.4. Zavisnost
koeficijenta korisnog dejstva Otovog ciklusa od
stepena kompresije
40% odlazi na hlađenje motora, 25% odnose izduvni gasovi, 10% se utroši na savlađivanje trenja, 25% iznosi koristan rad.
Realan koeficijent korisnog dejstva iznosi dakle oko 25%. Oto motori se najviše primenjuju za pogon lakih vozila.
3.1.2. Dizelov ciklus
Na slici (3.5) su prikazani i TpV S dijagrami Dizelovog termodinamičkog ciklusa. Osnovne razlike u poređenju sa Otovim ciklusom su što se u cilindar motora dovodi i u njemu sabija čist vazduh a ne smeša goriva i vazduha, i sagorevanje se vrši pri stalnom pritisku a ne pri stalnoj zapremini.
T
S
1
2
3
4
p
1'
12 3
1
V VV
4
32
V
a) b)
Sl. 3.5. Dijagram Dizelovog ciklusa: a) i b) TpV S
30
Ciklus ima sledeći tok: U stanju 1 u cilindru se nalazi vazduh koji se adijabatski sabija do stanja 2. Kada je klip u konačnom položaju, ubrizgava se gorivo. Ono se samo pali pošto je vazduh u cilindru dovoljno zagrejan usled sabijanja. Ubrizgavanje goriva se vrši takvom brzinom da pri širenju od stanja 2 do 3 u cilindru ostane stalan pritisak. U stanju 3 postignuta je maksimalna temperatura i gorivo je sagorelo. Zatim nastupa adijabatsko širenje do stanja 4 i pri tome se vrši rad. Najzad, ispuštaju se izduvni gasovi do stanja 1' i ubacuje nova količina vazduha do stanja 1.
Toplota se dovodi u delu ciklusa između stanja 2 i 3 pri konstantnom pritisku a odvodi između stanja 4 i 1 pri konstantnoj zapremini pa je
2p1V
)( 231 TTmcQ p −= (4.7)
)( 142 TTmcQ V −= . (4.8) Koeficijent korisnog dejstva ciklusa će biti
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
−=−−
−==1
11
)()(1-1η
1
42
1
41
23
14
1
2
TTkT
TTT
TTcTTc
P
V . (4.9)
Iz jednačina adijabatskog sabijanja 1-2 i adijabatskog širenja 3-4 sledi da je
12
1
1
221 −
−
ε=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= k
kT
VVTT (4.10)
i 1
1
33
1
4
334
−−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
kk
VVT
VVTT (4.11)
Kombinujući jednačine dobija se 1
2
3
2
3
1
4
−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
κ
VV
TT
TT
.
Uvodeći koeficijent predekspanzije ρ==2
3
2
3
VV
TT
, dobija se sledeći odnos:
κ−κ ρ=ρ⋅ρ= 1
1
4
TT
. Dakle, koeficijent korisnog dejstva Dizelovog ciklusa je
31
11
ε11η 1 −ρ
−ρ=
κ−=
κ
−κ. (4.12)
4 8 12
10
20
30
40
50
η(%)
16ε
Koeficijent korisnog dejstva prema tome raste sa stepenom kompresije a opada sa porastom stepena predekspanzije ρ. U praksi je obično 15 a
ε≈ε ≈ρ 5.
Na slici (3.6) je prikazano kako η zavisi od stepena kompresije. Kada se uzmu u obzir svi gubici koji realno postoje, koeficijent korisnog dejstva se u praksi kreće oko 0.35. Dizel motori se najviše primenjuju u saobraćaju, uglavnom za pogon težih vozila, kao i za agregate za proizvodnju električne energije na terenu gde nema razvodne električne mreže. Maksimalna snaga Dizel motora iznosi do 40 MW.
Sl.3.6. Zavisnost koeficijenta korisnog
dejstva Dizelovog ciklusa od stepena kompresije
Uporedimo ukratko Otov (1-2-3-4) i Dizelov (1'-2'-3'-4')ciklus. Uz pretpostavku
da je koristan rad, tj. iskorišćena toplota ista za oba motora, čemu odgovaraju jednake površine na ST dijagramu, imaćemo: a) u slučaju da su jednaki stepeni kompresije, ( '
2'
121 // VVVV = ), da bi se dobio isti rad potrebno je u Dizelovom ciklusu dovesti veću količinu toplote od grejača i odvesti veću količinu toplote hladnjaku, nego u Otovom ciklusu što je prikazano na slici (3.7.a) To znači da je Otov ciklus ekonomičniji od Dizelovog.
S
1
2
3
4
1 4
3
22'
3'
4'
1'
T T
S
2'3'
4'
1'
Sl.3.7. Upoređivanje Otovog i Dizelovog ciklusa
b) U slučaju da je kod oba ciklusa isti maksimalni pritisak ( ), kao što
pokazuje slika (3.7.b), Dizelov ciklus je ekonomičniji od Otovog.
'33 pp =
32
Međutim, u stvarnosti je stepen kompresije Dizelovog ciklusa veći nego Otovog pošto nema opasnosti od samozapaljivanja, pa je realno njegov koeficijent korisnog dejstva veći. Postavlja se pitanje da li je realno moguće povećati stepen kompresije Otovog motora tako da bude jednak stepenu kompresije Dizelovog. Ukoliko bi to bilo moguće pritisak radnog tela posle sagorevanja goriva bio bi veoma visok (tačka 3 na T-S dijagramu slike a), tako da bi došlo do havarije motora. Ako bi se povećala čvrstoća cilindra bila bi smanjena isplativost zbog povećanja troškova. Potrošnja goriva kod Dizel motora je manja ali je inertnost motora veća. Osnovnim nedostatkom motora sa untrašnjim sagorevanjem se smatraju utrošak iscrpivih izvora energije i zagađivanje okoline izduvnim gasovima.
3.2. Motori sa spoljašnjim sagorevanjem Ove termodinamičke mašine se mogu podeliti u dve kategorije: one u kojima radna supstancija doživljava fazni prelaz iz tečnog stanja u gasovito tako da se ne može smatrati idealnim gasom i mašine u kojima je radna supstancija tokom celog procesa gas.
3.2.1. Parna mašina
Šema prikazana na slici (3.8) ilustruje princip rada parne mašine. Gorivo, najčešće fosilno tj. ugalj ili nafta, sagoreva i oslobađa toplotu koja zagreva kotao sa vodom. U kotlu se voda prevodi u paru koja se zatim dalje zagreva do temperature više od kritične. Para se u cilindru širi i vrši rad. Nakon procesa hlađenja i kondenzacije pumpom se vraća u kotao.
pumpa
hladnjak
cilindar
kotao
Sl.3.8. Princip rada parne mašine Parne mašine rade po tzv. Renkinovom zatvorenom ciklusu prikazanom na slici
(3.9). Isprekidana kriva razgraničava oblasti tečnog i gasovitog stanja vode. Krive i prikazuju izoterme realnog gasa (vodene pare). Delovi ciklusa su sledeći:
1T2T
33
1. u procesu od stanja 1 do stanja 2 voda se zagreva u kotlu dovođenjem toplote
, '
1Q2. od stanja 2 do stanja 3 voda izobarno-izotermno isparava uz utrošak količine
toplote i zatim se prevodi u cilindar, 1Q3. od stanja 3 do stanja 4 para se adijabatski širi pri čemu se deo kondenzuje, 4. od stanja 4 do stanja 5 para se izobarno-izotermno potpuno kondenzuje uz
otpuštanje količine toplote i zatim se pumpom dovodi do početnog stanja. 2Q
T
S
1
4
32
p
5
T2
T2
T1
T1
V
1
2 3
45
a b
Sl. 3.9. Termodinamički ciklus parne mašine
Prelazi 1-3 i 4-5 su izobarski pa se koeficijent korisnog dejstva može izraziti preko entalpija početnih i konačnih stanja:
13
5413 )()(ηHH
HHHH−
−−−= . (4.13)
Radi jednostavnosti uvešćemo još jedan parametar stanja, specifičnu entalpiju, , koja predstavlja entalpiju jedinice mase radne supstancije. Vrednosti specifične entalpije i entropije vode su poznate za širok interval radnih temperatura i pritisaka i mogu se naći u literaturi što pojednostavljuje proces procene koeficijenta korisnog dejstva parne mašine. Potreban podatak je još udeo pare u smeši koja postoji u stanju 4. Ovo se može proceniti iz adijabatskog (izentropskog) prelaza 3-4. Naime, vlažna (mokra) para se sastoji od suve pare i vode koja ključa. Na primer, 1 kg vlažne pare ima x kg suve pare i (1-x) kg ključale vode. Dakle, ako je entropija pare u stanju 3 , a entropija vode u stanju 4 tada je
ih
3pS 4vS
344 )1( pvp SSxxS =−+ (4.14) gde je x )10( << x udeo pare u smeši u stanju 4. Odavde se može odrediti x .
34
Specifična entalpija u stanju 4 je tada
444 )1( vp hxxhh −+= (4.15) gde su i specifične entalpije pare i vode u stanju 4. 4ph 4vh
Radna temperatura pare je oko 300 °C a pritisak oko 12 puta veći od
atmosferskog što daje koeficijent korisnog dejstva oko 45%. Realni koeficijent korisnog dejstva je do 0.30. Povećanje koeficijenta korisnog dejstva se ostvaruje pregrevanjem pare. Dijagram ciklusa dobija dodatni deo tako što se stanje 3 pomera udesno u oblast gasa. Parne mašine se konstruišu sa snagom do 200 kW i danas se manje koriste, ali su u prošlosti odigrale istorijsku ulogu u razvoju železničkog i pomorskog saobraćaja.
3.2.2. Parna turbina
Za dobijanje velikih snaga u elektranama korste se parne turbine. Ovakve turbine se koriste u termo, nuklearnim i elektranama koje eksploatišu prirodne izvore pare i toplotnu energiju mora. Šema postojenja sa parnom turbinom prikazana je na slici (3.10). Voda se u kotlu, kao kod parne mašine zagreva do ključanja, zatim se pregreva i pregrejana para pušta na rotor turbine gde se zatim generatorom vrši konverzija mehaničke energije u električnu. Iskorišćena para se posle hlađenja i kondenzacije pumpa natrag u kotao.
kotao
pumpa
hladnjak
pregrevanje
turbina
Sl.3.10. Šematski prikaz postrojenja sa parnom turbinom TS dijagram je prikazan na slici (3.11). Delovi ciklusa su sledeći:
1. od stanja 1 do stanja 2 voda se zagreva u kotlu dovođenjem toplote , '
1Q
35
2. od stanja 2 do stanja 3 voda izobarno-izotermno isparava uz utrošak količine toplote i zatim se prevodi u cilindar, 1Q
3. od stanja 3 do stanja 4 para se pregreva, 4. prelaz od stanja 4 do stanja 5 je adijabatski i odvija se pri strujanju pare kroz
turbinu. U ovom delu ciklusa deo pare se kondenzuje, 5. od stanja 5 do 6 vrši se potpuna kondenzacija pare. Zatim se voda adijabatski
pumpa u kotao do početnog stanja.
T
S
1
23
4
56
T
S
1
23
4
56
4'
Sl. 3.12. Ciklus parne turbine sa ponovnim pregrevanjem pare
Sl. 3.11.TS dijagram parne turbine
Poboljšani parni ciklus Renkinov ciklus je praktičan termodinamički ciklus i ima odstupanja od Karnoovog. To se svakako ogleda i u vrednosti koeficijenta korisnog dejstva ciklusa. Da bi se povećala vrednost ovog koeficijenta vrši se pregrevanje pare na izlazu iz kotla, odnosno na ulazu u turbinu na slici (3.12). Na taj način se smanjuje vlažnost pare koja prolazi kroz turbinu što ublažava erozija lopatica turbine. Ipak, pregrevanje je ograničeno maksimalno dopuštenom temperaturom koju materijal kotla, cevi i turbine može da izdrži. Pregrevanje dovodi do povećanja vrednosti koeficijenta korisnog dejstva za nekoliko procenata. Bez ovog postupka njegova vrednost bi bila kao kod ciklusa parne mašine. Pregrevanje se može izvoditi i više puta. Na ovaj način se vrši tzv. ″karnotizacija″ ciklusa. Vrednost koeficijenta korisnog dejstva zavisi i od efikasnosti transformacije hemijske energije goriva u kotlu i mehaničkog koeficijenta korisnog dejstva turbine. Mehanički koeficijent korisnog dejstva raste sa protokom pare i zavisi od aerodinamičkih osobina rotora. S obzirom na veliku primenu parnih turbina, istraživanja su usmerena i na druge postupke koji bi doveli do povećanja efikasnosti ciklusa. Neki od njih su: 1. povećanje početne temperature vode, 2. povećanje temperature pregrevanja pare, 3. snižavanje temperature okoline (teško izvodljivo), 4. poboljšanje aerodinamičkih osobina rotora.
36
3.2.3. Gasna turbina
Kod gasnih turbina radna supstancija je tokom celog ciklusa u gasovitom stanju. Toplota se odvodi pri stalnom pritisku a može se dovoditi ili pri stalnoj zapremini ili pri stalnom pritisku.
a) Ako se toplota dovodi pri constV = , dijagram izgleda kao na slici (3.13). pVDelovi ciklusa su sledeći: 1. od stanja 1 do stanja 2 gas se adijabatski sabija, 2. toplota se dovodi u prelazu od stanja 2 do 3 i dovedena količina tolpote je
)( 231 TTmcQ V −= , (4.16)
3. od stanja 3 do stanja 4 gas se adijabatski širi, 4. toplota se odaje u prelazu od stanja 4 do 1 i otpuštena količina toplote je Sl. 3.13. Ciklus gasne turbine sa
dovođenjem toplote pri constV =
14
3
2
p
VV V V2 1 4
)( 142 TTmcQ p −= . (4.17)
Rad se vrši pri adijabatskom širenju od stanja 3 do 4 pa je koeficijent korisnog dejstva
)()(
11η23
14
1
2
TTcTTc
V
p
−−
−=−= . (4.18)
Kada se uvede stepen kompresije 21 /ε VV= , odnos maksimalne i minimalne zapremine
, i iskoriste jednačine adijabata dobija se 2434 // VVVV ==δ
kεε1η−δδ
κ−=κ
. (4.19)
b) Pri dovođenju toplote pri stalnom pritisku, ciklus se sastoji od dve izobare i dve
adijabate kao na slici (3.14). Delovi ciklusa su: 1. od stanja 1 do stanja 2 gas se adijabatski sabija, 2. toplota se dovodi u prelazu od stanja 2 do 3 i dovedena količina toplote je
)( 231 TTmcQ p −= , (4.20)
3. od stanja 3 do stanja 4 gas se adijabatski širi, 4. toplota se odaje u prelazu od stanja 4 do 1 i otpuštena količina toplote je
37
)( 142 TTmcQ p −= . (4.21)
1 4
32
p
VV V V2 V1 3 4
Rad se vrši pri adijabatskom širenju od stanja 3 do 4 pa je koeficijent korisnog dejstva
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
−=−−
−=1
111η
2
32
1
41
23
14
TTT
TTT
TTTT
. (4.22)
Iz jednačina adijabata κκ−
κκ−
=1
22
1
11 pTpT i
κκ−
κκ−
=1
23
1
14 pTpT sledi da je 2
3
1
4
TT
TT
= , odnosno da je
2
11ηTT
−= . Uvodeći tzv. Koeficijent pritiska 1
2p p
pr = , koeficijent korisnog dejstva
ciklusa je
Sl. 3.14. Ciklus gasne turbine sa dovođenjem toplote pri
constp =
( ) κκ 1
p
11η −−=r
. (4.23)
Koristeći jednačinu idealnog gasnog stanja prethodna formula se svodi na 1ε11η−
−=κ ,
identičnu kao za koeficijent korisnog dejstva Otovog ciklusa, pri čemu je stepen kompresije.
21 /ε VV=
4 8 12
10
20
30
40
50
η (%)
16
ε
a
b
Sl. 3.15. Upoređivanje
efikasnosti gasnih turbina
Slika (3.15) ilustruje zavisnost koeficijenta korisnog dejstva od stepena kompresije ε za oba tipa gasnih turbina. Turbine sa dovođenjem toplote pri constV = imaju prednost u pogledu stepena iskorišćenja, ali se one za sada u praksi znatno manje primenjuju pošto su turbine sa dovođenjem toplote pri constp = konstrukciono jednostavnije.
38
Šema energetskog postrojenja sa gasnom turbinom data je na slici (3.16). Kompresor K uzima vazduh iz okoline i sabija ga. U komori za sagorevanje gorivo sagoreva uz dovođenje dela komprimovanog vazduha. Gasovi sagorevanja se mešaju sa ostatkom sabijenog vazduha i ta smeša ekspandira u turbini T do početnog pritiska. Zatim se gasovi ispuštaju u okolinu. Za pogon kompresora se koristi motor M.
M
K T
G
gorivo
Sl. 3.16. Postrojenje sa gasnom turbinom Gasna turbina se obično koristi u kombinaciji sa parnom i to tamo gde se toplotna energija dobija sagorevanjem fosilnih goriva. Proces na taj način postaje ekonomičniji pošto gasna turbina koristi gasovite produkte sagorevanja fosilnog goriva koje zagreva kotao parne turbine. Dakle, otpadna toplota na izlazu iz gasne turbine koristi se za zagrevanje vode, odnosno pripremu pare koja pokreće parnu turbinu. Trenutna tehnička rešenja omogućavaju da koeficijent korisnog dejstva ovakvih sistema bude oko 50 %.
Neka su i koeficijenti korisnog dejstva gasne i parne turbine koje čine
tandem. Od ukupne uložene količine toplote, parna turbina iskoristi deo koji iznosi a
ostatak, , se odvodi do gasne turbine. Tu se jedan deo koji iznosi pretvara u električnu energiju tako da je koeficijent korisnog dejstva tandema
gη pη
pη
pη1− gη
gpp )( ηη1ηη −+= . (4.24)
Sa stanovišta konvencionalnih sistema za konverziju energije značajni gubici
nastaju upravo pri konverziji toplotne u mehaničku energiju. Podsetimo se da koeficijent korisnog dejstva Karnoovog ciklusa zavisi od temperatura grejača, zavisne od toplotne otpornosti materijala od kog je napravljen, i temperature hladnjaka, često okoline. Istraživanja u cilju povećanja efikasnosti realnih procesa dovela su to toga da savremene toplotne mašine, prvenstveno gasne turbine, mogu da rade na temperaturama bliskim 1500 K. Odgovarajući koeficijent korisnog dejstva izuzetno dostiže čak 80 %.
39
Kao rezime sadržaja o toplotnim motorima, na slici (3.17) su prikazane uobičajene oblasti njihove eksploatacije uzimajući u obzir ostvarenu snagu i koeficijent korisnog dejstva.
η
1
2
3
4
7
8
56
1.Parne mšine2.Oto motori3. Dizel motori za vozila4. Gasne turbine i mlazni motor5. 4.taktni brodski dizel motori6. 2.taktni brodski dizel motori7. Parne turbine8. Tandem gasna-parna turbina
Sl.3.17. Uobičajene oblasti delovanja toplotnih motora
3.3. Toplotne mašine sa inverznim ciklusom
Posebnu grupu termodinamičkih uređaja čine mašine koje rade u inverznom ciklusu u kojima radna supstancija apsorbuje toplotu na nižoj temperaturi a na višoj je otpušta. Tada se odigrava hlađenje odnosno proces pri kome se od nekog tela odvodi toplota i predaje nekom drugom telu. Zadatak mašina za hlađenje jeste da ohlade tela ili predmete do temperature niže od temperature okoline i da ih na toj temperaturi održavaju.
Odvođenje toplote od hlađenog objekta moguće je samo njegovim dovođenjem u
termički kontakt sa nekom radnom materijom niže temperature. Procesi koji su našli značajniju primenu za postizanje niskih temperatura u praksi su:
1. Ekspanzija gasova i para (sa odvođenjem rada). Najveće snižavanje temperature pri ekspanziji od datog početnog do datog krajnjeg pritiska se postiže u slučaju kada je ta ekspanzija adijabatska (izoentropska);
2. Ekspanzija bez odvođenja rada (adijabatsko sabijanje); 3. Jedan od termoelektričnih efekata (propuštanjem električne struje kroz spoj dva
različita provodnika može se postići hlađenje tog spoja); 4. Efekat rastvaranja (rashladne smeše) (pri adijabatskom mešanju dve supstancije
temperatura rastvora može biti i znatno niža od početne temperature komponenata).
40
i TpV S dijagrami inverznog ciklusa su prikazani na slikama (3.18. a i b). Radna supstancija je u stanju 1 tečnost, koja do tačke 2 isparava pri konstantnoj temperaturi uz apsorpciju količine toplote . Dobijena para se zatim adijabatski sabija do stanja 3 koje je definisano temperaturom . Od stanja 3 do 4 se izobarski hladi do temperature , a zatim do 5 izobarno-izotermno kondenzuje. U početno stanje se vraća propuštanjem kroz uski otvor usled čega se ohladi do .
2T 2Q3T
1T2T
a) b)
T
1
43
2
p
5
T2
T2
T1
T1
V
T3
T3
S
1 2
2
45
T
TT
2
3
1
Sl. 3.18. Dijagram inverznog ciklusa: a) i b) TpV S
Efikasnost ovog ciklusa se definiše odnosom
21
22
QQQ
AQ
−==ω (4.25)
gde je količina toplote apsorbovana od hladnijeg rezervoara, 2Q A rad spoljašnjih sila utrošen za adijabatsko sabijanje, a otpuštena količina toplote. Pri izobarskim prelazima 1-2 i 3-5 menja se entalpija tako da je
1Q
122 HHQ −= i 531 HHQ −=
dok je pri isticanju od stanja 5 do 1 entalpija kostantna, tj. 15 HH = . Sledi da je
23
52
23
52
hhhh
HHHH
−−
=−−
=ω (4.26)
gde su tablične vrednosti specifičnih entalpija za date vrednosti termodinamičkih parametara
ihp , V i T . Vrednost ω može biti veća od jedinice.
41
Ovakav termodinamički ciklus ima primenu u frižiderima (slika 3.19). Kompersor (K) ulažući električnu energiju sabija gas, koji se pri prolasku kroz spiralnu cev (C) hladi okolnim vazduhom i pretvara u tečnost otpuštajući količinu topote . Zatim se tečnost prevodi u unutrašnjost prostora koji treba rashladiti (F) gde za ponovno pretvaranje u gas, tj. isparavanje, apsorbuje količinu toplote iz namirnica. Gas se najzad ponovo odvodi do kompresora i ciklus se ponavlja. Na sličan način rade i klima uređaji.
1Q
2Q
B
C
K
CF
K
Sl. 3.20. Toplotna pumpa Sl. 3.19. Princip rada frižidera
Toplotne pumpe su uređaji koji takođe rade po inverznom termodinamičkom ciklusu ciklusu, ali se kod njih toplota kondenzacije (koja je kod rashladnih mašina termodinamički beskorisna toplota koja se odvodi u okolinu) koristi za zagrevanje objekta. Toplota potrebna za isparavanje rashladnog fluida (koja se kod rashladne mašine oduzima od hlađenog prostora) se oduzima od okoline. Okolina (spoljni vazduh, podzemne i nadzemne vode ili tlo) predstavljaju toplotni izvor. Prema tome, jedna instalacija sa mašinom koja radi po inverznom ciklusu može se koristiti za hlađenje i za zagrevanje. U toplotnim pumpama (slika 3.20), gas se takođe sabija kompresorom (K) i zatim hladi pri proticanju kroz spiralnu cev (C) predajući količinu toplote vazduhu iz prostorije koju treba zagrejati. Količina toplote se apsorbuje pri prolasku radne supstancije kroz spoljašnju sredinu cevima (B). Uloženi rad je dakle i ovde rad električne struje a uređaj "pumpa" energiju iz okoline u zatvoreni prostor. Efikasnost toplotne pumpe je definisana odnosom
1Q2Q
AQ1=ω .
42
4. ELEKTRIČNE MAŠINE
Električne mašine pretvaraju električnu energije u mehaničku ili obrnuto. U električne mašine spadaju generatori električne struje (vrše konverziju mehaničke energije u električnu), elektromotori (vrše konverziju u obrnutom smeru), kao i mnoge druge među kojima i transformatori koji ne vrše konverziju energije iz jednog oblika u drugi. Mehanički rad se najčešće javlja u vidu obrtnog kretanja, pa se generatori i elektromotori često nazivaju obrtne električne mašine.
4.1. Generatori
4.1.1. Generator monofazne naizmenične struje
Najjednostavniji generator monofazne naizmenične struje je prikazan na slici (4.1). Sačinjavaju ga jak magnet NS i pravougaoni provodni ram R (rotor), koji se obrće u magnetnom polju indukcije B
r konstantnom ugaonom brzinom
rω normalnom na
vektor Br
. Pretpostavićemo da je magnetno polje homogeno i da je stalnog intenziteta. S obzirom da je magnetni fluks
SBrr
=Φ , (4.1) S
N
R
KK
DC
ω
B
gde je S površina rama, intenzitet fluksa biće
αcosBS=Φ , gde je tωα = ugao koji trenutno zaklapaju normala na površinu rama i vektor magnetne indukcije. Prema Faradejevom zakonu elektromagnetne indukcije indukovana EMS je Sl. 4.1. Generator monofazne
naizmenične struje
tEE sinω0= (4.2)
gde je njena maksimalna vrednost. Dakle indukovana EMS je harmonijska funkcija vremena sa učestanošću kojom se obrće ram. Maksimalna vrednost zavisi od dimenzija rama i proporcionalna je brzini obrtanja i jačini magnetnog polja.
ω0 BSE =
0E
Preko metalnih prstenova -kolektora K- klize pokretni provodni kontakti C i D, obično ugljene četkice, sa kojih se dobijeni napon odvodi potrošaču. Električna energija je očigledno proizvedena mehaničkim radom uloženim za obrtanje rama. U praksi se umesto pravougaonog rama upotrebljava kalem sa velikim brojem navojaka, namotan na gvozdeno jezgro, što dovodi do povećanja indukovane EMS. Umesto stalnog magneta koristi se elektromagnet koji se oblikuje tako da vazdušni prostor između njega i rotora bude što manji.
43
Ukoliko se krajevi rotora vežu za kružne segmente kao na slici (4.2), jedna od četkica će stalno biti pozitivna a druga negativna. Na taj način, mada indukovana EMS menja smer, u istom ritmu se menjaju i kontakti na četkicama pa u spoljašnjem kolu struja stalno teče u istom smeru a intenzitet joj se menja. Na ovaj način se u principu dobija jednosmerna pulsirajuća struja (slika 4.3.a).
t
t
I
I
a
b
SN
K
K
DC
ω
B
Sl. 4.2. Generator jednosmerne struje
Sl. 4.3. Jednosmerna pulsirajuća struja
Generatori jednosmerne struje u praksi imaju veći broj navojaka i svaki od njih ima svoj par segmenata da bi se superpozicijom više fazno pomerenih pulsirajućih struja dobila jedna. Četkice se postavljaju tako da dodiruju kolektorske segmente samo kada kroz njih protiče maksimalna struja tako da je rezultujuća struja praktično konstantna kao na slici (4.3.b) .
Snaga i teorijski električni koeficijent korisnog dejstva generatora se procenjuju jednostavno. Neka je unutrašnja otpornost generatora r , i neka je opterećen potrošačem otpornosti . Prema Omovom zakonu za celo strujno kolo, jačina indukovane struje je R
)( r+R
EI = , (4.3)
a korisna snaga koju generator daje na potrošaču RIPk
2= . (4.4)
Snaga je maksimalna ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ = 0
dRdPk za rR = što je ekonomski veoma nepogodno jer tada
sam generator troši snagu jednaku snazi potrošača. Električni koeficijent korisnog dejstva je odnos korisne i ukupne oslobođene snage )(2 rRIP += :
rR
RPPk
+==η (4.5)
44
i pri maksimalnoj snazi, ( rR = ), iznosi 50%. U praksi se radi povećanja koeficijenta korisnog dejstva generator opterećuje potrošačem znatno veće otpornosti na uštrb snage. Ostvarena električna snaga je manja od uložene i zbog gubitaka koji nisu uzeti u obzir u prethodnoj proceni. U pitanju je sledeće: 1. gubtici u obliku Džulove toplote duž provodnika koji spajaju potrošač sa generatorom. Pošto su u praksi ovi provodnici često veoma dugi, gubtici mogu biti znatni. Njihovo smanjenje se ostvaruje korišćenjem provodnika sa velikim poprečnim presekom i malim specifičnim otporom ili smanjivanjem jačine struje. Zbog kvadratne zavisnosti snage od jačine struje, ovaj drugi način je vrlo praktičan ali za dobijanje iste korisne snage zahteva proporcionalno uvećanje elektromotorne sile generatora. 2. gubtici u gvožđu zbog histerezisa i vrtložnih struja. I jedni i drugi su srazmerni kvadratu jačine magnetnog polja. 3. mehanički gubtici pri proizvodnji električne energije obrtanjem rotora i to: trenje u ležištu osovine rotora, trenje četkica o kolektor i neophodno trošenje energije na pokretanje ventilacije. Ovi gubtici se smanjuju se poboljšanjem konstrukcije i smanjenjem svih oblika trenja. Dva često korišćena tipa generatora su alternator i trofazni generator.
4.1.2 Alternator Prema Faradejevom zakonu elektromagnetne indukcije, u provodnoj konturi će se indukovati elektromotorna sila sve dok postoji promena magnetnog fluksa. Tu promenu
može izazvati promena jačine magnetnog polja, ako provdnik u njemu miruje, ili kretanje provonika u magnetnom polju stalne jačine. Promenom fluksa moguće je proizvesti naizmeničnu struju i generatorom čija je konstrukcija prikazana na slici (4.4). Pokretni deo -rotor- je elektromagnet a nepokretni namotaji u kojima se indukuje naizmenična struja predstavljaju stator. Elektromagnet se iz posebnog izvora napaja jednosmernom strujom. Indukovana naizmenična struja se odvodi u mrežu bez pokretnih kontakata. Ovakav tip generatora je poznat pod nazivom alternator.
elektromagnet
stator
Sl. 4.4. Alternator
4.1.3. Trofazni generator
Generatori jednosmerne i monofazne naizmenične struje uglavnom služe za snabdevanje malih potrošača električnom energijom. Najveću primenu za dobijanje električne energije na veliko ima generator trofazne naizmenične struje.
45
Trofazni sistem predstavlja sistem od tri faze (kola) koje se razlikuju po jednom određenom faznom pomeraju koji postoji između napona ili struja svake faze. Svaka faza je okarakterisana jačinom struje, elektromotornom silom, faznim pomerajem između njih, kao i faznim pomerajem između ovih veličina i odgovarajućih veličina u drugoj i trećoj fazi sistema.
Tri kalema sistema koji čine stator, zaklapaju uglove od 120° u magnetnom polju rotora kao na slici (4.5).
.
N
S
Ako je EMS u prvoj fazi sistema Sl. 4.5. Trofazni generator
tEE ωsin01 = , (4.6)
u drugoj i trećoj fazi će biti )3/π2ωsin(02 −= tEE , (4.7)
odnosno
)3/π4ωsin(03 −= tEE . (4.8)
Generatori trofazne naizmenične struje se ugrađuju u hidro, termo i nuklearnim elektranama. Za obrtanje rotora se koristi potencijalna energija vode ili kinetička energija pare. Odnos dobijene električne i uložene mehaničke energije zavisi od tipa elektrane i obično iznosi oko 0.3. U električnu mrežu se struja odvodi tako što se kalemovi vežu u zvezdu ili u trougao (slika 4.6. a i b).
Uf
Ul
Il If
a) fl
fl
II
UU
=
= 3 b)
3fl
fl
II
UU
=
=
Sl. 4.6. Vezivanje trofaznog generatora
Kod veze u zvezdu je struja kroz nulti provodnik zbog faznog pomaka vrlo mala, a u slučaju jednakog opterećenja po fazama jednaka nuli, pa nulti provodnik nije ni potreban. Između provodnika sa fazom i sa nulom postoji tzv. fazni napon U , a između dva sa fazama tzv. linijski napon koji iznosi 3U . Kod veze u trougao linijski i fazni naponi su jednaki.
46
4.2. Elektromotori
Neka je provodnik pravougaonog oblika sa stranicama i b postavljen u homogeno magnetno polje
aBr
koje je normalno na stranicu b kao na slici (4.7). Amperove sile koje deluju na stranice AB i CD, kada kroz provodnik protiče konstantna struja jačine I , leže u ravni provodnika tako da ne izazivaju njegovo kretanje. Sile koje deluju na stranice BC i DA zaklapaju sa ravni provodnika određeni ugao i čine spreg koji izaziva obrtanje provodnika oko x ose. Pošto su intenziteti Amperovih sila koje deluju na stranice rama BC i DA jednake po intenzitetu, moment sprega ima intenzitet
θsin2
2 abFM AD= (4.9)
odnosno θsinIBabM = (4.10)
gde je ugao između vektora i normale na ravan provodnika. Kako je
θSab = površina pravougaonika
biće
y
z
x
FDA
FAB
FBC
FCD
B
θ
a
b
A B
CD
Sl. 4.7. Delovanje magnetnog
polja na provodnik sa strujom
θsinIBSM = . (4.11)
Nastali mehanički spreg ima veliku primenu u elektrotehnici pošto se pod njegovim uticajem vrši obrtanje svih elektromotora. Principijelno gledano, elektromotor može imati istu konstrukciju kao generator jednosmerne struje. Kalem kroz koji se propušta struja je rotor. Na slici (4.8) je prikazan samo jedan navojak. Krajevi kalema su vezani za polukružne segmente na koje naležu četkice preko kojih se dovodi jednosmerna struja. Moment sprega će obrtati kalem dok ga ne dovede u položaj kada je ravan kalema normalna na vektor
rB .
Međutim, kalem se usled inercije neće zaustaviti. Kada zbog promene polariteta segmenata struja u njemu promeni smer, spreg će nastaviti da obrće kalem u istom smeru kao i ranije. Dakle, mada se
smer struje u kalemu menja, rotor se obrće stalno u istom smeru. Na istom principu radi i elektromotor na monofaznu naizmeničnu struju.
SN
B
I+
Sl.4.8. Princip rada elektromotora
Kretanje rotora se prenosnim mehanizmom prenosi potrošaču mehaničke energije.
Da bi se obezbedila konstantna ugaona brzina rotora, umesto stalnih magneta koriste se elektromagneti sa odgovarajućim prostornim rasporedom.
47
Izlazna snaga elektromotora zavisi od uložene električne energije i gubitaka koji su slični kao kod generatora. Procenimo koeficijent korisnog dejstva: Omov zakon za rotor otpornosti R biće EEIR += 0 gde je elektromotorna sila kojom se on napaja, a
0EE elektromotorna sila nastala samoindukcijom. Snaga koju daje izvor, delom se troši
na vršenje mehaničkg rada, a delom zagreva navojke:
RIPIE meh2
0 += , (4.12)
tako da je koeficijent korisnog dejstva
00
1ηEIR
IEPmeh −== . (4.13)
Pri maksimalnom opterećenju kalem je zakočen pa je 0=E . Tada je struja u kolu rotora maksimalna i iznosi , tako da se može napisati i da je . U režimu praznog hoda nema opterećenja pa se rotor obrće maksimalnom brzinom.
REI /00 = 0/-1η II=
Gubici snage elektromotora potiču osim od Džulove toplote,još i od trenja u
ležištima, cirkulacije i turbulencije fluida u kome se obrće rotor i vrtložnih struja i histerezisa u gvožđu. Analizom svih procesa u elektromotorima i realizacijom bavi se elektrotehnika. Zbog niza prednosti elektromotori su u mnogim granama života potpuno zamenili druge izvore mehaničke energije. Oni su upotrebljivi svuda gde ima električne energije, jednostavni za rukovanje, mogu imati vrlo različite dimenzije i snage, bezbedni su, relativno tihi i ne zagađuju okolinu. Elektromotori jednosmerne struje služe za pogon tramvaja, trolejbusa, dizalica, kao starteri u motornim vozilima itd. Monofaznom naizmeničnom strujom se napajaju elektromotori većine kućnih aparata.
4.2.1. Sinhroni elektromotor
U praksi se elektromotori kod kojih je obrtanje rotora izazvano magnetnim poljem trofazne naizmenične struje koriste mnogo više nego motori sa jednosmernom strujom.
Ako se kroz navojke tri elektromagneta koji zaklapaju uglove od 120°, kao na slici (4.9), propusti po jedna od faza trofazne naizmenične struje, može se pokazati da rezultujuće magnetno polje
1
2
3
B
B
B B
1
23
321 BBBBrrrr
++= (4.14)
ima konstantan intenzitet ali se obrće sa frekvencijom naizmenične struje.
Sl. 4.9. Obrtno magnetno polje
48
Ako se u obrtno magnetno polje postavi magnet ili elektromagnet (rotor) on će, ukoliko se na neki način dovede do rotacije ugaonom brzinom jednakom ugaonoj brzini polja, nastaviti da se obrće sve dok mu se faza poklapa sa fazom polja.
Kada se rotor mehanički optereti on će zaostati za određeni ugao u odnosu na polje, ali mu se ugaona brzina neće promeniti sve dok opterećenje nije preveliko. Zbog sinhronizacije obrtanja motora i magnetnog polja ovakav motor se naziva sinhronim. Pri preopterećenju se sinhronizacija narušava i motor se zaustavlja.
Zbog toga što ne mogu sami da se pokrenu i što mogu da rade samo dok su rotor i polje u fazi, sinhroni elektromotori nemaju veliku primenu. Služe za pogon uređaja kod kojih je neophodno da ugaona brzina bude konstantna (pumpe, kompresori). Odlikuju se velikim koeficijentom korisnog dejstva.
4.2.2. Asinhroni elektromotor
Asinhroni elektromotor (slika 4.10) ima daleko širu primenu. Stator se napaja trofaznom naizmeničnom strujom i kao kod sinhronog motora, služi za obrazovanje obrtnog magnetnog polja. Obrtno magnetno polje, iako konstantnog intenziteta, menja se po pravcu. Kao takvo, ono indukuje struju u provodnicima koji se u njemu nalaze. Navojci rotora su kratko spojeni kao na slici. Dakle, obrtno magnetno polje će u statoru indukovati naizmeničnu struju.
Kako, međutim, ugaona brzina polja statora zavisi samo od učestanosti struje kojom se napaja, rotor na nju ne može uticati. Usled toga počinje da se obrće rotor i, ako je neopterećen, ubrzo dostigne ugaonu brzinu obrtnog magnetnog polja. Tada su polje i rotor nepokretni jedan u odnosu na drugog pa struja idukovana u navojcima rotora postaje jednaka nuli. Opterećivanjem motora rotor počinje da usporava. U navojcima rotora tada dolazi do indukovanja struje čija frekvencija i intenzitet zavise od brzine rotacije polja u odnosu na rotor. Interakcija ove struje sa poljem statora izaziva pojavu sprega koji ubrzava rotor, tj. vrši mehanički rad. Obrtanje rotora ovakvog motora dakle kasni za poljem a njegova brzina zavisi od opterećenja.
1
23
Sl. 4.10. Asinhroni motor
Asinhroni elektromotori se primenjuju svuda gde su potrebne veće snage a nije neophodna konstantna ugaona brzina, što je čest slučaj u industriji za pogon pumpi, kompresora, mlinova, mešalica. Takođe se koriste za pogon dizalica, žičara, električnih vozila, veš mašina.
49
5. NUKLEARNA ENERGETIKA
Nuklearna energetika je neminovnost današnjice i budućnosti i to: - fisija zbog nedostatka drugih izvora u razvijenim delovima sveta i razvijene
tehologije - fuzija zbog toga, što uz solarnu energiju, predstavlja praktično neiscrpivi resurs.
5.1. Fisioni nuklearni reaktor
Nuklearni reaktor je uređaj u kome se odvija kontrolisana lančana reakcija fisije, tokom koje iz fisionog goriva nastaju fragmenti uz oslobađanje neutrona i energije (jedn. 2.15). Prema nameni, reaktori se dele na energetske, istraživačke i reaktore za proizvodnju radioaktivnih izotopa.
Šematski prikaz energetskog nuklearnog reaktora dat je na slici (5.1). U centralnom delu koji se zove jezgro reaktora ili aktivna zona, nalazi se nuklearno gorivo. Tu se kao posledica fisije oslobađa energija koja se preko izmenjivača toplote odvodi, a zatim transformiše u korisne oblike energije.
Osnovne komponente energetskih reaktora su komora za gorivo, moderator,
reflektor, biološki štit, kontrolni sistem (apsorber neutrona), hladioc i konstrukcioni materijal.
.
kontrolne šipke sigurnosni sistem
aktivna zona
korisnik toplotneenergije
reflektor
biološki štit
Sl. 5.1. Fisioni nuklearni reaktor
Aktivna zona ili jezgro je najvažniji deo reaktora. Pri svakom procesu fisije, u aktivnoj zoni se oslobađa nekoliko neutrona koji mogu da izazovu nove fisije. Ukoliko je taj broj, u srednjem, na primer jednak 2, od jednog neutrona, pod pretpostavkom da svaki izazove novu fisiju, u -toj generaciji nastalo bi 2n neutrona. Kako je vreme života jedne generacije reda 10− do 10− s, u toku jedne mikrosekunde oslobodi se i do 1024 neutrona, što odgovara raspadu 140 g
n8 7
U235 . Pri tome se oslobodi energija ravna sagorevanju
50
hiljadu tona nafte. Ako se proces ne kontroliše, lančana reakcija bi dovela do toga da broj oslobođenih neutrona za 10− s prevaziđe ukupan broj čestica u vidljivom delu vasione. 3
Specifična snaga reaktora definiše se kao brzina proizvodnje energije po jedinici zapremine aktivne zone i jednaka je proizvodu broja fisija u jedinici vremena, N, i energiji Q oslobođenoj u jednoj fisiji:
NQP = . (5.1) U aktivnoj zoni reaktora se osim zahvata neutrona koji dovodi do fisije jezgra odigravaju i drugi nukearni procesi koji za posledicu imaju usporavanje, apsorpciju i difuziju neutrona. Zbog toga je za održavanje fisije značajan tzv. parametar umnožavanja neutrona, K. Definiše se kao odnos broja neutrona u dve uzastopne generacije. Ako pretpostavimo da je reaktor beskonačna sredina i da nema ″curenja″ neutrona iz nje, bilo bi moguće definisati tzv. beskonačni faktor umnožavanja neutrona, K∞. Procenjuje se kao proizvod četiri faktora : η , p, f , i , odnosno: ε
εη=∞ pfK . (5.2) Koeficijent η je merilo kvaliteta nuklearnog goriva. Predstavlja broj emitovanih neutrona po jednom apsorbovanom i dat je formulom:
γσ+σνσ
=ηf
f (5.3)
gde su i efikasni preseci za fisiju i zahvat neutrona čija je posledica emisija gama
kvanta (radijativni zahvat), respektivno. ν je srednji broj neutrona emitovanih po jednoj fisiji. Zavisnost odnosa od energije neutrona za nuklearna goriva data je na slici 5.2. U oblasti niskih i vrlo visokih energija je dominantan proces fisije pošto je ovaj odnos manji od 1. Zbog toga energetski reaktori rade ili sa sporim (termalnim) ili brzim neutronima.
fσ γσ
fσσγ /
Vrednosti za ν i zavise od vrste nuklearnog goriva i energije neutrona, i
prikazane su u tabeli 5.1. Nažalost, jedino prirodno nuklearno gorivo, η
U235 ima, najslabije karakteristike.
51
E(MeV)
235U233U239Pu
σ /σγ f
10-2 10
10
-1
-1
10
10
0
0
10
10
1
1
102 103 10 10 104 5 6
Sl.5.2. Zavisnost fσσγ / od energije neutrona
Tabela 5.1. Vrednosti za ν i η za razna nuklearna goriva gorivo U233 U235 Pu239 =E 0.025 eV
(termalni neutroni) ν η
2.52 2.28
2.47 2.07
2.91 2.09
=E 1 MeV (brzi neutroni)
ν η
2.70 2.45
2.07 3.00 2.30 2.70
Osim jezgara nuklearnog goriva u aktivnoj zoni se mogu nalaziti i druga jezgra u
kojima takođe mogu da se zahvate oslobođeni neutroni. Recimo, u prirodnoj smeši U235 i U238 , brzi neutroni iz fisije U235 mogu da izazovu fisiju U238 , ili da zahvatom u U238 procesom (2.16) proizvedu nuklearno gorivo . Ovaj proces delimično nadoknađuje utrošak goriva, ali postoji i čitav niz zahvata sa velikim efikasnim presekom (tzv. "rezonantni zahvati") koji ne daju korisne produkte. Upravo koeficijent
Pu239
p predstavlja
verovatnoću da neutron izbegne nekorisne zahvate u jezgru U238 . Na slici (5.3) je grafički predstavljen spektar neutrona oslobođenih u fisiji.
Spektar je kontinualan i ako ga uporedimo sa slikom (5.2), vidimo da sporih i brzih neutrona ima malo, dok većina neutrona ima energiju pri kojoj je fisija malo verovatna. Za razliku od naelektrisanih čestica, neutrone nije moguće ubrzavati delovanjem električnog polja ali je usporavanje moguće. Kako bi se povećala verovatnoća fisije, reaktori koji rade sa sporim neutronima imaju u aktivnoj zoni materijal koji usporava (termalizuje) neutrone do energije na kojij fisija dominira.. Ovakav materijal se naziva moderator. Kao moderatori su pogodni materijali koji imaju mnogo veći efikasni presek za elastično rasejanje nego za apsorpciju s obzirom da velika verovatnoća apsorpcije znatno smanjuje koeficijent umnožavanja.
52
Verovatnoća da neutron dostigne odgovarajuću energiju i bude zahvaćen baš jezgrom goriva a ne moderatorom, data je koeficijentom f i zavisi i od rasporeda goriva i moderatora unutar aktivne zone.
E(MeV)
N
0 1 2 3 4 6
Koeficijent ε se odnosi na umnožavanje brzih neutrona tako što uključuje mogućnost da neki od neutrona mogu da izazovu fisiju i ne usporivši se, što izaziva povećanje . ∞K
Sl. 5.3. Raspodela energija neutronaoslobođenih u fisiji
Tipične vrednosti faktora u reaktoru sa slabo obogaćenim uranom i vodom kao
moderatorom su: 0.5< <1, 0.8<p f <1 i 1<ε <1.2. Za određivanje faktora umnožavanja K za aktivnu zonu konačnih dimenzija,
treba pomnožiti verovatnoćom da oslobođeni neutron ne pobegne iz aktivne zone. Ova verovatnoća zavisi od dimenzija aktivne zone i tipa reaktora. Zapremina aktivne zone pri kojoj se dobija
∞K
K =1 zove se kritična zapremina, a masa goriva unutar kritične zapremine predstavlja kritičnu masu. Za U235 kritična masa je reda kilograma i zavisi od oblika.
Regulisanje procesa u jezgru reaktora tako da bude K =1 je dosta složeno jer je lančana reakcija vrlo brza. Međutim, pojava tzv. zakasnelih neutrona olakšava kontrolu. Naime, u reaktoru se osim neutrona oslobođenih direktno fisijom, pojavljuju i neutroni koje emituju fisioni fragmenti u procesu deekscitacije. Ovi "zakasneli" neutroni znatno produžavaju trajanje generacije. Oni ulaze u ukupan fluks i njihova pojava se koristi tako što se ustvari održava podkritičan režim ( K <1), a zakasneli neutroni ga dopunjuju do K =1 čime obezbeđuju stacionarni režim.
U toku rada reaktora menja se sadržaj aktivne zone. Smanjuje se procenat goriva a
nagomilavaju se fisioni produkti i njihovi potomci. Ovo dovodi do smanjenja faktora multiplikacije i naziva se zatrovanje reaktora. Zbog toga je povremeno potrebno vršiti zamenu goriva. U reaktorima sa gorivom u obliku rastvora moguća je kontinualna zamena. U reaktorima sa čvrstim gorivom, ako je gorivo prirodan uran, vrši se zamena u toku rada, dok se u reaktorima sa obogaćenim uranom, zbog visoke radioaktivnosti, reaktor u toku zamene zaustavlja.
Komora za gorivo – Gorivo se nalazi u odgovarajućoj komori, u središtu reaktora.
Prema rasporedu goriva i moderatora u aktivnoj zoni, reaktori se dele na homogene i heterogene. U homogenim reaktorima su gorivo i moderator izmešani tako što su ili oba u obliku praha, ili je gorivo rastvoreno u tečnom moderatoru. U heterogenim reaktorima su gorivi elementi cilindričnog oblika (šipke ili tablete) ravnomerno raspoređeni u materijalu moderatora. Energetski reaktori su uglavnom heterogeni. Gorivo i moderator se nalaze u
53
reaktorskoj posudi od materijala koji mora imati odgovarajuće mehaničke, termičke i nuklearne osobine. Za sprečavanje prodiranja gasovitih i čvrstih produkata radioaktivnog raspada fisionih fragmenata u rashladno sredstvo, neophodna je zaštita gorivih elemenata hermetički zatvorenom košuljicom. Kao konstrukcioni materijali za komore najčešće se upotrebljavaju nerđajući čelik i legure cirkonijuma, a sve više se eksperimentiše i sa berilijumom i aluminijumom.
Moderatori - Smanjivanje energije neutrona do vrednosti pri kojima je od svih mogućih procesa najverovatnija fisija goriva, vrši se uzastopnim sudaranjem sa jezgrima materijala - moderatora. Broj neutrona sa energijom pogodnom za izazivanje fisije zavisi od vrste i količine moderatora. Pošto je pri elastičnom sudaru maksimalan prenos energije ako su mase čestica koje se sudaraju jednake, za moderatore su pogodni laki elementi - vodonik, deuterijum, berilijum i ugljenik. U praksi to znači upotrebu teške i obične vode, oksida berilijuma i grafita. Pri tome obična voda, mada efikasno vrši usporavanje, znatno više apsorbuje neutrone od teške pa se izbegava. Helijum se ne koristi pošto je u gasovitom stanju. Bitne osobine moderatora su date u tabeli 5.2.
Tabela 5.2. Osobine moderatora
element H D He Be C O
A 1 2 4 9 12 16 relativni gubitak
energije pri sudaru
0,63
0,52
0,35
0,18
0,14
0,11 broj sudara za postizanje
termalizacije
18
25
42
90
114
150
σaps (10− cm 2 ) 24 0,3 0,001 ≈ 0 0,01 0.005 0,002
Reflektrori - Prilikom razmatranja procesa u aktivnoj zoni, rečeno je da reflektor ima ulogu da neutrone koji bi napustili aktivnu zonu vrati, i tako spreči smanjivanje faktora umnožavanja. S obzirom na ovakvu ulogu, reflektor u principu treba da ima iste osobine kao moderator, tj. da intenzivno rasejava neutrone, a da ih slabo apsorbuje. U reaktorima sa termalnim neutronima za moderatore i reflektore obično se koriste isti materijali. U reaktorima sa brzim neutronima moderatora nema, a kao reflektori se koriste teži elementi. Uticaj reflektora je prikazan na slici (5.4).
x
sa reflektorom
bez reflektora
Φ
Sl. 5.4. Zavisnost neutronskog fluksa od rastojanja od centra reaktora
Biološki štit - Neutroni koji napuštaju reaktor imaju izrazito biološko dejstvo,
naročito brzi. Opasnost za živi svet u blizini reaktora predstavlja i zračenje kao i radioaktivni raspad fisionih produkata. Zbog toga se oko reaktora izgrađuje biološki štit koji ima zadatak da zračenje emitovano iz reaktora smanji na nivo dozvoljenih doza.
γ
54
Materijal za izgradnju štita velikih dimenzija treba da ima veliku mehaničku izdržljivost, dobru toplotnu provodljivost, da efikasno štiti od radijacije i da nije skup. Potrebna debljina sloja se određuje iz zakona apsorpcije:
deII μ0
−= (5.4)
gde su i 0I I intenziteti zračenja pre i posle prolaska kroz sloj debljine d, a μ je koeficijent apsorpcije materijala koji zavisi od vrste i energije zračenja.
Za apsorpciju zračenja idealan materijal je olovo, a zbog dobrih mehaničkih karakteristika, pogodan je i čelik. Kao neutronski štit za termalne neutrone izrazitu prednost ima bor, a veoma je pogodna i teška voda zbog toga što može cirkulacijom istovremeno i da hladi reaktor. Brze neutrone efikasno zaustavlja grafit. Osnovni i najdeblji deo svakog štita je međutim beton, zbog izdržljivosti i niske cene. Zbog toga što sadrži i lake i teške elemente kao i vodu, a može se izliti u debelom sloju, efikasan je za zaustavljanje neutrona niskih energija. Propustljiv je za zračenje ali se to može korigovati tako što se ispred njega postavi štit od čelika. Pošto beton slabo provodi toplotu, hladi se proticanjem vode ili vazduha.
γ
γ
Kontrolni sistem - Za kontrolu broja neutrona upotrebljavaju se materijali koji
dobro apsorbuju neutrone (najčešće kadmijum). U tabeli 5.3 su date karakteristike nekih materijala. U poslednjoj koloni je debljina koja potpuno apsorbuje spore neutrone. U toku puštanja reaktora u pogon, šipke se postepeno izvlače iz jezgra do postizanja željene brzine oslobađana energije, a zatim se može vršiti regulacija procesa laganim uvlačenjem ili izvlačenjem šipki iz jezgra reaktora.
0d
Tabela 5.3. Materijali za kontrolni sistem
element
gustina (kg/m 3 )
< >σ (10−24 cm ) 2
za spore neutrone
d0 (cm)
B prirodni 2300 651 0.023 10B 2300 3470 0.004 Ag 10500 54 0.62
Cd 8600 2210 0.0192
Eu 7300 3980 0.0175
Gd 7600 39800 0.0117
Osim ovog načina, materijal za kontrolisanje se može umešati u samo gorivo tako da se njegova koncentracija menja u toku rada reaktora, ili se može dodati u sredstvo za hlađenje.
55
Od istih materijala od kojih se grade kontrolne šipke je i sigurnosni sistem. To su šipke koje su u toku normalnog rada potpuno izvan jezgra reaktora, a u slušaju potrebe naglog zaustavljanja specijalni magnetni mehanizam ih otpušta da slobodnim padom "trenutno" upadnu u jezgro i ugase proces apsorbujući sve slobodne neutrone.
Hladioc - prenosi energiju, u obliku toplote, oslobođenu u reaktoru. Hladioci mogu biti zasebni elementi reaktora, ali mogi imati i višestruku ulogu. Na primer, obična voda, koja se često u nuklarnoj fizici naziva i lakom da bi se napravila jasna razlika između nje i teške vode, može biti istovremeno moderator, reflektor i hladioc. Hlađenje je od izuzetnog značaja zbog bezbednosti prilikom odvođenja energije iz reaktora.
Proticanjem sredstva za hlađenje -primarnog hladioca- kroz reaktor, ova toplota se prenosi u izmenjivač toplote gde se predaje drugom hladiocu i zatim koristi. Primarni hladioc treba da ima niz odgovarajućih fizičkih osobina: veliku specifičnu toplotu, veliku toplotnu provodljivost, neaktivnost u pogledu indukovanja radioaktivnosti (aktivacije), i u pogledu hemijskog reagovanja sa materijalima sa kojima dolazi u kontakt. Kao primarni hladioci koriste se gasovi i 2CO He , obična i teška voda, tečni metali i rastopi soli. Kod sekundarnog hladioca, osim navedenih fizičkih osobina izuzetno je važna i niska cena s obzirom na velike potrebne količine, tako da se kao sekundarni hladioc najčešće koristi obična voda.Osobine haldilaca su prikazane u tabeli 5.4
Tabela 5.4. fizičke osobine haldilaca
hladioc Tt
( C) 0
Tk ( C) 0
c (J/kg.K)
λ (J/m.h.K)
σ (10−24 cm 2 )
moguć-nost
aktivac.je
He gas gas 5195 587 0 - vazduh gas gas 1047 146 1,5 +
CO2 gas gas 922 125 0,003 + a
H O2 b
0
100
4190
6620
2455
1768
0,62
+
D O2 3,8 101,4 4881 0,00092 +
Na 98 883 1257 293300 0,5 + Na +
44%K 12 882
1089 96370 1,1 +
5.2. Tipovi fisionih nuklearnih reaktora Današnji reaktori su uglavnom heterogenog tipa, odnosno gorivo, moderator i rashladno sredstvo fizički su odvojeni jedno od drugog. Ako je gorivo pomešano s moderatorom i rashladnim sredstvom onda se radi o reaktoru homogenog tipa. Neutroni su ili termalni ili brzi.
56
Mnogi tipovi fisionih reaktora su razvijeni od prototipa do komercijalnog nivoa u cilju dobijanja prvenstveno električne energije. Osnovni tipovi reaktora zajedno sa karakteristikama navedeni su u tabeli 5.5.
Tabela 5.5. Tipični nuklearni reaktori
Moderator Hladioc Neutroni Namena Status Reaktori sa vodom
voda voda termalni energetski praktična primena
HTGR* grafit helijum termalni višestruka u razvoju Brzi reaktori
- natrijum brzi energetski u razvoju
*HTGR – High Temperature Gas Cooled Reactor (Viskokotemperaturski gasom hlađeni reaktor)
Reaktori sa vodom mogu biti sa običnom ili teškom vodom. Reaktori sa običnom vodom su uglavnom energetski i obuhvataju dva tipa reaktora i to reaktor hlađen ključalom vodom (BWR) i reaktor hlađen vodom pod pritiskom (PWR) u kome visok pritisak sprečava ključanje.
Reaktor hlađen ključalom vodom (BWR – Boiling Water Reactor)
Ovo je najstariji model reaktora ali je i danas u komercijalnoj upotrebi. Kao gorivo koristi slabo obogaćeni uran, a kao moderator i hladioc običnu vodu. Energija se dobija direktinim pokretanjem turbine termoelektrane parom, temperature oko 500 °C i pritiska reda nekoliko Mpa, dobijenom u reaktoru. Sekundarni hladioc kod ovog tipa reaktora ne postoji. Koeficijent korisnog dejstva reaktora sa ključalom vodom je između 28 i 33 %. Nedostatak im je što mehurovi vodene pare razređuju moderator i što voda za hlađenje zbog kontakta sa jezgrom reaktora može postati radioaktivna i opasna po okolinu. Šema postojenja sa ovim tipom reaktora prikazana je na slici (5.5).
pumpa
omotač
jezgro turbina
reaktorska posuda
kontrolne šipke
bazen sa vodom
kondenzor
generator
Sl. 5.5. Reaktor sa ključalom vodom (BWR)
57
Reaktor hlađen vodom pod pritiskom
Postoje dve moguće realizacije ovog tipa reaktora. Prvi kao gorivo koristi obogaćeni uranijum. Kao moderator koristi se običnu voda ili grafit, a kao primarni hladioc obična vodu pod pritiskom. Obična ili teška voda, koja se koristi kao sekundarni hladioc transforimiše se u generatoru pare u paru, koja nije radiokativna, i može se koristiti za pogon turbine termoelektrane. Druga moguća realizacija ovog tipa reaktora može kao gorivo koristiti prirodni uran, a kao moderator i primarni hladioc tešku vodu (PHWR – Pressurized Heavy Water Reactor). Moderator i hladioc su fizički odvojeni u oba rešenja. Moderator je smešten u komori pod atmosferskim, a hladioc u cevima pod pritiskom nekoliko desetina puta većem od atmosferskog, što sprečava ključanje vode oko goriva i pojavu mehurova. Nedostatak reaktora hlađenih vodom pod pritiskom je što proizvode paru znatno niže temperature od reaktora sa ključalom vodom. Posledica je manji koeficijent korisnog dejstva koji iznosi od 22 do 32 %. Na slici (5.6) je data šema postojenja sa PWR tipom reaktora.
jezgro
omotač
generatorpare
reaktorskaposuda pumpa
pumpa
kontrolneipkeš
turbina
generator
kondenzor
Sl.5.6. Reaktor sa vodom pod pritiskom (PWR)
Gasom hlađeni reaktor (GCR – Gas Cooled Reactor) Kao gorivo koriste i prirodni i slabo obogaćni uran, a kao moderator uglavnom
grafit (eventualno tešku vodu). Kao hladioc koriste gas koji, za razliku od tečnosti, zbog male gustine znatno slabije prenosi toplotu. Međutim, na visokim temperaturama gasovi su znatno jednostavniji za rukovanje od vode, s obzirom da ne menjaju fazu.
Savremena istraživanja su usmerena na razvoj visokotemperaturskog gasom hlađenog reaktora, slika (5.7). Kao moderator koristi grafit, kao primarni hladioc helijum, a kao sekundarni vodu koja se u geneneratoru pare transformiše u paru i dalje odvodi na turbinu. Koeficijent korisnog dejstva je veći nego kod ostalih reaktora sa termalnim neutronima i kreće se između 35 i 41%.
58
omotač
kontrolne ipkeš
cirkulatorhelijuma
jezgro
generatorpare
pumpa
turbina
generator
kondenzor
Sl.5.7. Visokotemperaturski gasom hlađeni reaktor
5.3. Budući nuklearni reaktori
1. Natrijumom hlađeni brzi reaktori (SFR – Sodium cooled Fast Reactor)
Ako u reakciji fisije nastane veoma mnogo neutrona, ne samo da će lančana reakcija moći da se održava, već će ih biti u višku. Ukoliko 238U apsorbuje ove neutrone, nastaće 239Pu. To znači da je moguće generisati fisioni materijal istovremeno sa njegovom upotrebom. Broj novonastalih fisionih atoma po jednom upotrebljenom fisionom atomu naziva se konverzija. Ako je vrednosti koeficijenta η mnogo veća od 2, moguće je dobiti konverziju veću od 1. Dakle, moguće je dobiti više fisionih atoma od upotrebljenih. Ovo je poznato kao ″obogaćivanje ″ ali je uobičajen izraz ″briding″. Tip reaktora koji radi na ovom principu naziva se brider. Drugim rečima, fisioni materijal može biti obogaćen korišćenjem brzih neutrona u brider nuklearnim reaktorima.
U grupu brzih oplodnih reaktora (bridera), čija je osnovna karakteristika da je
proizvodnja novog nuklearnog goriva brža od utroška, spadaju najpre natrijumom hlađeni brzi reaktori. Novo gorivo nastaje, na primer, u ranije pomenutom procesu
PuNpUnU 239239239238 ),( ⎯→⎯⎯→⎯
−− ββγ
pri čemu u reakciji učestvuju brzi neutroni tako da moderator nije potreban. U jezgru brzog oplodnog reaktora (sl.5.8), kao gorivo se koristi visoko obogaćeni uran, koncentracije preko 20%, a oko njega se postavlja oplodni materijal, obično osiromašena ruda uranijuma. Brzi neutroni iz fisije goriva delom proizvode novo gorivo - plutonijum, (zbog čega se reaktor nazova oplodni), a delom izazivaju njegovu fisiju ili fisiju urana U238 . Na taj način se nuklearno gorivo maksimalno racionalno koristi.
59
Zbog velike oslobođene snage ovaj tip reaktora mora imati izuzetno efikasan rashladni sistem. Kao hadioci su pogodni isključivo tečni metali, prvenstveno natrijum. Natrijum ima relativno nisku temperaturu ključanja (98 °C), odličan je provodnik toplote i ima nisku cenu. Pošto je mogući kontakt sa radioaktivnim natrijumom i vodom izuzetno opasan, sekundarni hladioc je postavljen između primarnog kruga natrijuma i vode. Takođe, nedostatak natrijuma je njegova jaka korozivna aktivnost u kontaktu sa vazduhom i vodom.
Ipak, prednosti brzih oplodnih reaktora su očigledne. Zbog dobrog iskorišćenja oslobođenih neutrona, snaga po jedinici zapremine im je oko 500 kW/dm3, dok kod ostalih tipova ne prelazi 100 kW/dm3. Dimenzije aktivne zone zbog toga mogu biti manje. Koeficijent korisnog dejstva novijih bridera je oko 40%. Višak novog goriva se može uklanjati i koristiti u drugim reaktorima. Ove osobine čine bridere najperspektivnijim energetskim reaktorima.
omotač
kontrolneipkeš izmenjiva
toploteč
pumpapumpa
pumpa
reaktorskaposuda
jezgro
generatorpare
turbina
kondenzor
generator
sekundarni krugnatrijuma
primarni krugnatrijuma
Sl. 5.8. Natrijumom hlađeni brzi reaktor
2. Gasom hlađeni brzi reaktor (GFR – Gas cooled Fast Reactor) Pogodan je za proizvodnju električne energije i za termohemijsku proizvodnju
vodonika. Kao gorivo koristio bi karbide ili nitride urana i plutonijuma. Predviđene snage reaktora su od 600 MW i 2.400 MW. Koeficijent korisnog dejstva je oko 48%.
3. Brzi reaktor hlađen olovom (LFR – Lead cooled Fast Reactor)
Kao rashladno sredstvo koristi tečno olovo ili rastop olova i bizmuta, a hlađenje se obavlja prirodnom konvekcijom. Gorivo je metalni uran ili uran - plutonijum nitrid s dodatkom aktinida. Predviđena snaga reaktora je od 50 do 1.200 MW. Radna temperatura je za sada oko 550 °C, a pretpostavka je da će razvoj novih materijala omogućiti povećanje radne temperature na preko 800 °C.
60
4. Reaktor hlađen rastopima soli (MSR – Molten Salt Reactor)
Realizovano je nekoliko formi prototipova. Ranija rešenja oslanjala su se na nuklearno gorivo otopljeno u rastopima soli fluora stvarajući uranov tetrafluorid. Neki današnji koncepti više se oslanjaju na gorivo dispergovano unutar grafitne matrice s rastopljenom soli čime se osigurava hlađenje pri visokoj temperaturi i niskom pritisku. Kao moderator koristi se grafit. Referentni sistem sadrži reaktor snage 1000 MW, a ciljni datum uvođenja je 2025. godina.
5. Superkritični vodom hlađeni reaktor (SCWR – Super Critical Water cooled Reactor)
Ovo je visokotemperaturski vodom hlađeni reaktor koji radi na temperaturama
hladioca iznad kritične tačke vode (920 K, 22.064 Mpa). Tada molekuli vode prelaze u superkritično stanje, u kome njihovi grozdovi čine nešto poput tečnosti, koja lebdi unutar ostatka molekula koji su u nekoj gasovitoj fazi. Iznad te temperature je nemoguće povećavanjem pritiska prevesti gas u tečnost , što omogućava visoku termičku efikasnost, za trećinu veću nego u konvencionalnih lakovodnih reaktora. Sistem koji sadrži ovaj tip reaktora nema izmenjivač toplote. Pošto superkritična voda ne menja agregatno stanje, koristi se direktno za pogon turbine. Referentni sistem ima snagu oko 1700 MW, radni pritisak od 250 bara, a izlazna temperatura rashladnog fluida 510 °C, s mogućim povećanjem do 550 °C. Reaktor kao gorivo koristi uran dioksid.
6. Reaktor vrlo visoke temperature (VHTR – Very High Temperature Reactor)
Ovaj tip gasom hlađenog termalnog reaktora se osim za proizvodnju električne
energije može koristiti i za proizvodnju vodonika, ali i za proizvodnju toplote za potrebe različitih procesa. Dva su osnovna VHTR dizajna. U prvom je jezgro sastavljeno od velikih heksagonalnih grafitnih gorivih elemenata (blok dizajn), a u drugom koji je nazvan reaktor s ležištem od oblutaka (PBR – Pebble Bed Reactor) gorivi elementi su grafitne kuglice s gorivim jezgrom. Svaka kuglica sastoji se od jezgra i četiri koncentrične ljuske ukupnog prečnika manjeg od 1 mm. Gorivo jezgro kuglice je napravljeno od oksida urana ili plutonijuma. Obogaćenje urana iznosi između 10% i 20%. Oko jezgra je omotač od poroznog ugljenika, čija je svrha obezbeđivanje prostora za gasovite produkte fisije. Drugi omotač je pirolitički ugljenik visoke gustine koji štiti treći omotač. Treći omotač predstavlja zaštitu od curenja gasovitih i metalnih produkata fisije. Četvrti ili spoljašnji omotač je takođe od pirolitičkog ugljenika sa svrhom spoljašnje zaštite. Kuglice se stavljaju u predviđene otvore za gorivo (ukupno 210 otvora) u grafitnoj matrici (kompaktiranje goriva), i zauzimaju između 20% i 40% zapremine. U prizmatičnom gorivnom elementu nalazi se i 108 otvora za rashladni fluid, helijum, 6 otvora za sagorive apsorbere i centralni otvor za rukovanje gorivnim elementom. Šema ovog tipa reaktora prikazana je na slici (5.9).
61
Kontronešipke
Grafitnojezgro
Grafitnireflektor
Pumpa
Voda
Kiseonik
VodonikReaktor
Helijum
Izmenjivačtoplote
Postrojenje zaproizvodnjuvodonika
Sl. 5.9. Šema vrlo visokotemperaturskog gasom hlađenog reaktora namenjenog za proizvodnju vodonika
5.4. Fuzioni nuklearni reaktor
Za energetiku nisu dovoljne pojedinačne reakcije fuzije. Da bi se proces realizovao u makroskopskim razmerama, potrebno je u specijalnu komoru kontinuirano uvoditi jonizovane gasove (plazmu), koji se fuzionišu, pri čemu energija koja se oslobađa mora biti dovoljna da zagreje novopridošlu plazmu do temperature na kojoj je fuzija moguća. Temperatura na kojoj proces počinje sam da se održava na račun dela energije oslobođene fuzijom, naziva se temperaturom paljenja. Ostatak oslobođene energije, koji odnose produkti fuzije, je na raspolaganju za transformaciju u korisne oblike.
Za realizaciju fuzije neophodno je zagrejati plazmu do izuzetno visokih
temperatura. U početku zagrevanja, do temperature reda 107 K, može se koristiti Džulova toplota dobijena propuštanjem struje kroz plazmu. Iznad 107 K ovaj proces više nije efikasan pošto specifični otpor plazme naglo opada. Neke od metoda kojima bi se prevazišao uočeni problem bile bi:
- indukovanje kroz plazmu paralelnih struja istog smera. S obzirom da se ovakve struje privlače došlo bi do naglog adijabatskog sabijanja plazme što bi uslovilo porast temperature. Ovo je tzv. pinč-efekt, - ubrizgavanjem visokoenergetskih neutralnih atoma koji u sudarima predaju energiju česticama plazme, - delovanjem visokofrekventnog elektromagnetnog polja (25 do 55 MHz), - ubrizgavanjem jakih laserskih ili elektronskih snopova. Procenimo sada uslov za samoodržavanje. Uzmimo da se interagujući gasovi kreću jedan drugom u susret relativnom brzinom v. Broj fuzija u jedinici vremena, N, će
62
biti proporcionalan efikasnom preseku reakcije σ, koncentracijama jednog i drugog gasa i njihovoj relativnoj brzini: 21 i nn
21nvnN σ= . (5.5)
Kako je efikasni presek funkcija energije čestica (slika 5.10), proizvod vσ očigledno zavisi od temperature što je prikazano na slici (5.11) za tricijum- deuterijum ( DT − ) i deuterijum- deuterijum ( DD − ) reakciju.
T-D
D-D
σ(10 cm )-24 2σv(cm /s)3
E(KeV)20 40 60 80
D-D
T-D
kT(KeV)20 40 60 80
10 10
10 1010 10
10 1010 10
0
-1-2-3-4
-16-17-18
-20-19
Sl. 5.10. Zavisnost efikasnog Sl. 5.11. Zavisnost proizvoda preseka od kinetičke energije σv od kinetičke temperature
Pretpostavljeno je da postoji Maksvelova raspodela brzina u gasovima i izvršeno odgovarajuće usrednjavanje proizvoda vσ . Napomenimo da energija od 1 keV odgovara temperaturi od 1.16⋅107 K i da se proizvod kT se često naziva kinetička temperatura.
Snaga koja se oslobodi u fuzionom reaktoru je kao i kod fisionog, jednaka proizvodu energije oslobođene u jednoj reakciji, Q , i broja reakcija u jedinici vremena, odnosno
QnvnNQP 21σ== . (5.6) Međutim, deo ove oslobođene energije se izgubi zakočnim zračenjem naelektrisanih
čestica i njihovim sudarima sa zidovima komore. Na slici (5.12) je upoređena zavisnost gustine snage od temperature sistema, sa snagom koja se gubi zakočnim zračenjem P′ (isprekidana linija). Presečna tačka odgovara kritičnoj temperaturi iznad koje se proces sam održava.
kT
101 102
kT(keV)10-2
10-3
100
10-1
101102
103
T-D
D-D
P'
P/V(W/cm )3
Prema kinetičkoj teoriji gasova, energija koja
je potrebna za zagrevanje plazme (gasa) do temperature T iznosi
kTnnE )(23
21 += . (5.7) Sl. 5.12. Zavisnost generisane i izgubljene snage od temperature
63
Ukoliko se zagrevanje vrši u toku vremenskog intervala τ , za samoodržavanje procesa je neophodno da fuzija obezbedi energiju EP >τ . Iz uslova
kTnnQnvn )(23τ 2121 +≥σ (5.8)
za (jednake koncentracije gasova), dobija se 21 nn =
vQTconstn
σ≥ .τ (5.9)
tj. )(τ Tfn ≥ , (5.10) gde funkcija )(Tf uključuje sve veličine zavisne od temperature. Dakle, za svako T proizvod mora imati bar određenu, minimalnu vrednost datu funkcijom τn )(Tf . Međutim, ova analiza nije uzela u obzir da je koeficijent korisnog dejstva realnog uređaja uvek manji od jedinice. Očekuje se da će on biti između 30 i 40%. Slika (5.13) prikazuje ovu funkciju za tricijum- deuterijum ( DT − ) i deuterijum- deuterijum ( ) proces pretpostavljajući da je = 0.33. DD − η
Pri temperaturama iznad krive se nalazi oblast kontrolisane fuzije. Obe krive imaju minimum čije koordinate odgovaraju minimalnim fizičkim uslovima, odnosno minimalnim tehničkim teškoćama u realizaciji procesa. Minimalna vrednost
proizvoda predstavlja tzv. Lousonov kriterijum koji iznosi približno:
kTT >
τn
= 1014 s/cm 3 pri τn T =2.108 K za tricijum - deuterijum reakciju, = 1016 s/cm 3 pri τn T =1.109 K za deuterijum - deuterijum reakciju. Položaj i vrednost minimuma ukazuju da je proces sa tricijumom, osim što je energetski povoljniji, istovremeno i perspektivniji pošto su uslovi za realizaciju blaži. Deuterijum- deuterijum reakcija je atraktivna zbog obilja relativno lako
dostupnih sirovina, ali se očekuje da će zbog višeg Lousonovog kriterijuma biti kasnije eksploatisana.
T(K)
T-D
D-Dnτ(s/cm )
3
1015
1013
1016
1014
108 109
Sl. 5.13. Zavisnost )(τ Tfn =
Dakle, uslov za ostvarivanje kontrolisane fuzije je zadovoljavenje Lousonovog kriterijuma. To znači da je potrebno u reaktorskoj komori dovoljno dugo održavati veliku koncentraciju visoko zagrejane plazme. Zagrevanje i vremensko i prostorno ograničavanje (konfiniranje) plazme su ključni problemi sa kojima se bore fizičari koji rade na kontrolisanoj fuziji. Smatrajući da je način zagrevanja, kao što je rečeno,
64
principijelno rešen, ostaje glavni, do sada neprevaziđen problem održavanja plazme u prostoru fuzione komore, ali bez kontakata sa njom. Naime, u svakom kontaktu plazma se hladi a zidovi komore razaraju. Istraživanja na polju sinteze materijala koji bi trajno izdržavali toplotni fluks reda 1015 W/cm2 su veoma intenzivna. Predložena su dva rešenja praktične realizacije fuzije i to:
1. Magnetnim konfiniranjem plazme koje podrazumeva da plazmu čine naelektrisane čestice i da je primenom posebno konfigurisanog magnetnog polja moguće održavati plazmu daleko od okruženja i 2. Inercijalnim konfiniranjem koje se ostvaruje implozijom kuglice goriva tako da njeno jezgro dostiže temperaturu koja inicira mini termonuklearnu eksploziju. Da bi se reakcija pokrenula neophodna je energija od čak nekoliko veoma snažnih lasera.
Magnetno konfiniranje plazme
Na česticu naelektrisanu količinom naelektrisanja q koja se kreće stalnom brzinom vr u homogenom magnetnom polju indikcije B
r deluje Lorencova sila. Ako su
vektrori brzine imagnetne indukcije uzajamno normalni, putanja čestice će biti kružna kao što je prikazano na slici (5.14.a). Ako vektori brzine čestice i magnetne indukcije nisu uzajamno normalni, čestica će se kretati po tzv. helikoidi (slika 5.14.b).
P
F
vBB
v
F
a b
Sl. 5.14. Kružna i helikoidna putanja naelektrisane čestice u nagnetnom polju.
Vektor brzine je moguće razložiti na normalnu i paralelnu komponentu u odnosu na vektor B
r. Sila koja deluje promeniće samo pravac normalne komponente vektora brzine,
kao što je prikazano na slici (5.15) i to se koristi kod magnetnog konfiniranja.
65
B
v
F = q v Bx
v
v
Sl. 5.15. Uticaj Lorencove sile na komponente brzine čestice Sl. 5.16. Magnetno ogledalo
Postoje dve mogućnosti konfiniranja korišćenjem magnetnog polja:
1. primenom magnetnih ogledala, (slika 5.16), koja bi ″zarobila″ plazmu u prostoru u kom deluje magnetno polje i
2. primenom tzv. toroidalnog polja (slika 5.17).
U tački P na slici (5.16) pravac sile Fr
je normalan na x – osu. Idući od tačke P do tačke Q menja se jačina polja, što je ilustrovano sužavanjem linija sile magnetnog polja, što dovodi do promene pravca delovanja sile F
r. Pod delovanjem ove sile, čestice se
reflektuju unazad kao od ogledala ka prostoru u kome je polje slabije. Ako je polje jače na svakom od krajeva, moguće je održavati plazmu u zoni slabijeg polja.
Drugi predloženi način održavanja plazme je primenom magnetnog polja toroidalne geometrije (slično krofni ili đevreku). Toroidalno polje se formira pri proticanju struje kroz solenoid. Ipak, ovo polje nije homogeno i slabi na većim rastojanjima tako da se plazma kreće ka zidovima komore. Da bi se sprečilo ovakvo kretanje plazme uvodi se drugo, tzv. poloidalno polje.
Dakle, rezultujuće polje se indukuje proticanjem struje kroz spoljašnje namotaje i kroz samu plazmu.
Sl. 5.17. Obrazovanje torusnog magnetnog polja
TokamakPoloidalno polje
Solenoid
Rezultujućepolje B
66
Princip toroidalnog polja je osnov rada tokamaka konstruisanog sredinom prošlog veka. Od svih uređaja sa magnetnim konfiniranjem plazme tokamak je u dosadašnjim eksperimentima dao najbolje rezultate. Principijelna šema tokamaka je data na slici (5.18). U radnu komoru torusnog oblika uvodi se plazma. Struja , koja se pobuđuje indukcijom, zagreva plazmeni krug i termički ga izoluje držeći ga daleko od zidova. Za indukovanje te struje služi primarni navoj transformatora, koji je namotan na gvozdeno jezgro. Ulogu sekundarnog navoja igra plazma. Njeno
gnetno polje označeno je sa 1B
1I
mar
. Na komoru su namotani navojci kroz koje prolazi struja 2I i obrazuje vrlo jako magnetno polje
2Br
duž torusa. Linije sile rezultujućeg magnetnog polja su helikoidne i obavijaju plazmeni krug. Zbog nestabilnosti plazme postignuto je vreme konfiniranja reda stotih delova sekunde ali je cilj da se stigne do
primar
jezgro
I1 I2
B1 B1
B2
B2
Sl. 5.18. Tokamak
jedne sekunde pri koncentraciji =10 cmn 14 −3.
vakuum grafit
plazma
Li
štit Na slici (5.19) je prikazan isečak komore sa omotačem. Oko fuzione komore se nalazi sloj vakuuma kao izolator. Litijumska obloga ima ulogu da sa neutronima iz fuzije proizvodi tricijum u reakcijama
8,43
142
63
10 ++→+ HHeLin MeV
Sl. 5.19. Segment komore sa omotačem
5,210
31
42
73
10 −++→+ nHHeLin MeV.
Tako reaktor sam sebe snabdeva tricijumom. Prva reakcija je kao egzotermna energetski povoljnija, a druga (endotermna) zbog toga što se u njoj ne troše neutroni. Sledeći sloj omotača je grafit koji služi za reflektovanje pobeglih neutrona. Za zaštitu okoline od neutrona i γ zračenja postavlja se štit od bora, vode i olova. Sasvim spolja nalazi se magnet.
U principu, šema energetskog postrojenja sa fuzionim reaktorom sa magnetnim
konfiniranjem, (slika 5.20), bi trebalo da sadrži komoru čije su dimenzije metra a pritisak
67
u njoj 108 puta veći od atmosferskog. Oslobođena energija se odvodi preko izmenjivača toplote ka generatoru pare i konvertuje u električnu .
oblast reakcije
izmenjivač toplote
generator
turbina
paraT
D
D+T
Li
50%D 50%T
Sl. 5.20. Sistem za proizvodnju električne energije sa fuzionim reaktorom
Inercijalno konfiniranje plazme
Ako se ostvari vrlo visoka koncentracija tricijum - deuterijum smeše, Lousonov kriterijum je zadovoljen i pri kratkom vremenu konfiniranja čime se izbegavaju problemi oko nestabilnosti plazme. Na primer, pri >1022 cmn −3 dovoljno je da vreme konfiniranja
bude reda nanosekunde da bi se dostigla kinetička temperatura kT∼10 keV, što bi problem toplotne izolacije tada praktično eliminisalo. Međutim, ovakva gustina čestica odgovara čvrstim telima a ne gasovima. Ideja za realizaciju kontrolisane fuzije pod ovakvim uslovima je sledeća: Od smeše deuterijuma i tricijuma, ohlađene ispod tačke mržnjenja vodonika, (11 K), napravi se kuglica zapremine reda kubnog milimetra. U toku nanosekunde ona se zagreje do 10 K za šta je potrebno 10 - 10 J energije. Tako snažan izvor energije može biti jak laserski ili elektronski snop.
8
6 7
Kuglica se ubaci u komoru i ozrači istovremeno sa svih strana energetskim snopom koji izazove naglo isparavanje njene površine i stvori omotač od plazme. Ovaj omotač vrši ogroman pritisak na unutrašnjost kuglice i može da je sabije oko hiljadu puta. Sledeći laserski impuls pali u kuglici proces fuzije. Potrebna snaga laserskog impulsa je reda 1014 W. Ceo proces se, pošto vrlo kratko traje, dešava dovoljno daleko od zidova fuzione komore. Samo jedna kuglica D-T goriva mase 1 mg oslobodi 350 MJ energije, odnosno 10 mikroeksplozija po sekundi oko 3.5 GW.
Sl. 5.21. Faze inercijalnog konfiniranja
Na slici (5.21) su prikazane faze procesa inercijalnog konfiniranja:
68
1. ozračavanje kuglice goriva laserskim snopom, 2. formiranje omotača od plazme, 3. apsorpcija laserskog snopa omotačem, 4. omotač vrši ogroman pritisak, 5. pritisak na unutrašnjost kuglice može da je sabije oko hiljadu puta, 6. paljenje unutrašnjosti, 7. oslobađanje energije iz fuzije.
Potrebna snaga laserskog impulsa je reda 1014 W. Ceo proces se, pošto vrlo kratko traje, dešava dovoljno daleko od zidova fuzione komore. Principijelna šema je data na slici (5.22).
LaserDelilac snopa
Ogledala
D T- gorivo
Sl. 5.22. Laserski fuzioni reaktor
Hibridni reaktor
Postoji još jedna intersantna koncepcija iskorišćenja energije oslobođene u kontrolisanoj fuziji, zasnovana na tome što je proces fuzije izvor brzih neutrona. Oko fuzionog reaktora postavlja se omotač, nazvan “blanket” od materijala koli može da iskoristi energiju tih neutrona. Takav materijal može biti na primer prirodni uran ili čak osiromašena ruda koja preostaje posle procesa obogaćivanja izotopom U235 . Brzi neutroni u blanketu od izotopa U238 proizvode Pu239 koji se može iskoristiti u fisionom reaktoru. Sistem koji koristi ovakvu kombinaciju procesa fisije i fuzije naziva se hibridni reaktor.
Makroskopski proces fuzija izotopa vodonika u helijum je do sada nažalost
uspešno realizovan samo u nekontrolisanom obimu, u ratne svrhe (hidrogenska bomba). Eksperimenti čiji je cilj ostvarivanje kontrolisane fuzije radi proizvodnje energije, se izvode u mnogim velikim fizičkim laboratorijama. Detekcija neutrona se smatra dokazom da se proces fuzije zbilja odigrao. Na slici (5.23) prikazani su neki od do sada postignutih rezultata u približavanju Lousonovom kriterijumu. Najveći napredak je ostvaren primenom magnetnog konfiniranja plazme sa uređajima tipa tokamak. Razvijeno je nekoliko postrojenja, ali se trenutno najviše očekuje od tzv. ITER (International
69
Thermonuclear Experimental Reactor) projekta započetog 2006. godine, koji bi prvi put trebalo da daje energiju veću od one koja je potrebna za samoodržavanje. Prvi eksperimenti sa plazmom se očekuju u 2016. godini.
10 13
10 12
1015
1014
1016
nt(s/cm )3
T(K)101010 108 976
1110
1010
10 9
kontrolisanaT-D fuzija
12
3 4
57
6
118
910
1. Prosto magnetno ogledalo
2. Stelarator
3. Pin č
4. Usavr eno ogledaloš
5. Laserski reaktor6,7,8,9,10,11
Neki tipovi tokamaka
Sl. 5.23. Približavanje Lousonovom kriterijumu
Od reaktora u kome se proces sam održava do ekonomski i ekološki prihvatljivog
fuzionog reaktora, je veliki korak. Međutim, ograničena količina ostalih energetskih izvora na Zemlji, kao i prednosti koje fuzija ima nad fisijom, a to su obilje sirovina i odsustvo radioaktivnog otpada, nalažu da istraživanja u tom smeru treba obavezno nastaviti. Količina litijuma, potrebnog za tricijum- deuterijum reakciju, na Zemlji je ograničena na, u energetskom iznosu, 1024 J. Zbog toga se u daljoj budućnosti mora računati i sa deuterijum - deuterijum reakcijom. Ogromne zalihe deterijuma reda veličine 1013 t se nalaze u morskoj vodi gde je vezan sa kiseonikom kao HDO ili D2O. Procenjeno je da je ukupna zaliha fuzione energije oko 1031 J.
Komercijalni fuzioni reaktori se očekuju oko 2050. godine.
70
6. KONVERZIJA SOLARNE ENERGIJE
Sunce emituje spektar elektromagnetnog zračenja. Zračenje je jedan od mehanizama transporta energije, brzinom svetlosti, kroz svemir odnosno prostor u kome nema materije. Energetski spektar Sunčevog zračenja je skoro kontinualan, od veoma visokih energija (kratkih talasnih dužina) do niskih energija (velikih talasanih dižina). Sunčeva energija se prenosi na Zemlju elektromagnetnim talasima. Prenos energije se
opisuje Pointingovim vektorom )(μ1
0
BESrrr
×= . Pravac i smer ovog vektora se
poklapaju sa pravcem i smerom prostiranja talasa a njegov intenzitet predstavlja energiju koja prođe u jedinici vremena kroz jediničnu površinu.
E Bx
B
E
Sl. 6.1. Elektromagnetni talas
Sunčeva energija se može konvertovati u druge oblike, prvenstveno električnu i toplotnu i koristi se praktično u svim oblastima života. Prednosti korišćenja solarne energije su da je energija Sunca stalna, ekološki čista, besplatna i štedi druge energente. Nedostaci su mala gustina energije, velike oscilacije u intenzitetu zračenja i velike početne investicije.
Direktno korišćenje solarne energije je moguće instalacijom solarnih kolektora, fotonaponskih (solarnih) ćelija ili fokusiranjem Sunčenog zračenja.
6.1. Solarne (fotonaponske) ćelije
Pojava oslobađanja elektrona sa površine metala pod uticajem kvanta svetlosne energije, fotona, naziva se fotoefekat i predstavlja direktnu konverziju sunčeve energije u električnu. Tumači se korpuskularnom prirodom svetlosti. Prema Ajnštajnovoj relaciji
71
2ν
2mvAh += (6.1)
u sudaru fotona i elektrona, energija fotona frekvencije ν , utroši se delom na izlazni rad A, karakterističan za dati metal a ostatak odlazi na kinetičku energiju oslobođenog
elektrona 2
2mv. Pri energiji fotona ispod granične, fotoefekta nema. Kod poluprovodnika
se javlja unutrašnji fotoefekat. Elekroni pod uticajem svetlosti odgovarajuće talasne dužine ne napuštaju materijal već prelaze iz valentne u provodnu zonu ostavljajući za sobom šupljine. Sakupljanjem oslobođenih elektrona dobija se struja čiji intenzitet zavisi od jačine svetlosti. Uređaji za ovakvo dobijanje električne energije vidljivom svetlošću zovu se fotoelementi ili solarne ćelije. Koncept solarnih ćelija je jednostavan. To su u suštini jednostavne poluprovodničke diode čija je osnovna karakteristika da apsorbuju svetlost i da predaju deo energije apsorbovanih fotona nosiocima električne struje - elektronima ili šupljinama. Poluprovodnička dioda je formirana spajanjem poluprovodnika n - i p - tipa u jedinstven spoj obično difuzijom ili implantacijom specifičnih dopanata ili procesima depozicije. Dakle, solarna ćelija je posebno napravljena i dizajnirana da apsorbuje i konvertuje energiju elektromagnetnog zračenja Sunca u električnu energiju. Jednostavna solarna ćelija prikazana je na slici (6.2).
Metalna mrežica
Metalni kontakt
Sunčevasvetlost Antirefleksioni
sloj
sloj n-tipa
sloj p-tipa
eš
e
š
Sl. 6.2. Šema jednostavne solarne ćelije. Slika ilustruje i stvaranje elektrona, šupljina kao i parova elektron – šupljina.
Sunčeva svetlost pada na ″lice″ solarne ćelije. Metalna mrežica predstavlja
električne kontakte ćelije. Prolazeći kroz mrežicu svetlost pada na poluprovodnik koji je apsorbuje i unutrašnjim fotoefektom konvertuje u električnu energiju. Samo fotoni čija je energija dovoljna za formiranje para elektron - šupljina, odnosno oni čija je energija veća od širine zabranjene zone poluprovodnika (Eg) daju doprinos konverzionom procesu što
72
se može videti na slici (6.3). Antirefleksioni sloj u prostoru mrežice povećava količinu svetlosti trasmitovane do poluprovodnika. Drugi metalni kontakt diode nalazi se na ″poleđini″ solarne ćelije.
infracrvena vidljiva UV
crve
nažu
taze
lena
plav
alju
biča
sta
0
3210
0 0.50.71 0.4
Eg [eV]λ μ [ m]
GeCuInSe2
SiGaAs
CdTeGaP
CdS
Sl. 6.3. Širina zabranjene zone odabranih poluprovodničkih materijala Projektovanje efikasnih solarnih ćelija je od posebnog značaja. Doprinos fizike
kondezovane materije energetici ogleda se, između ostalog, kroz njene osnovne koncepte potrebne za proučavanje i konstrukciju ovih elemenata. Solarne ćelije mogu biti napravljene od mnogih poluprovodničkih materijala, uglavnom baziranih na silicijumu (Si), koji može biti monokristalan, polikristalan ili amorfan. Takođe, mogu biti napravljene od GaAs, GaInP, Cu(InGa)Se2, i CdTe. Materijali se biraju prvenstveno prema tome koliko dobro se njihove apsorpcione karakteristike podudaraju sa Sunčevim spektrom i naravno prema ceni koštanja. Sa finansijskog aspekta silicijum veoma dobro odgovara, s obzirom da je tehnologija izrade različitih komponenti u elektronskoj industriji veoma efikasna. Na slici (6.4) je prikazan apsorpcioni spektar poluprovodničkih materijala najčešće upotrebljavanih za izradu solarnih ćelija.
Energija fotona [eV]
Koe
ficije
nt a
psor
pcije
[1/c
m]
Sl. 6.4. Apsorpcioni spektar odabranih poluprovodničkih materijala
73
Kao što je napomenuto u uvodnom delu o fizici poluprovodnika, struja diode pri
direktnoj ili inverznoj polarizaciji može se opisati formulom
)1)/(exp( −= TS VVII
koja se naziva strujno-naponska karakteristika diode gde je IS je struja zasićenja p - n spoja, V napon na spoju, VT = kT/e temperaturni napon.
I(A)
M
U(V)2
4
6
8
0 0,2 0,4 0,6
η(%)
5
10
15
20
25
1 2 3ΔE(eV)
Ge
Si
GaAsCdTe
AlSb CdS
2000C
1000C
3000C
200C
PU
IM
M
M
=
Sl. 6.5. Tipična strujno-naponska
karakteristika Si fotoelementa Sl. 6.6. Zavisnost koeficijenta
korisnog dejstva od širine zabranjene zone
Radna tačka, M, bira se tako da izlazna snaga UIP = bude maksimalna. Maksimalna snaga koju idealna ćelija može dati PM=UMIM (što je zadovoljeno za
dUdP / =0) označena je na slici (6.5). Koeficijent korisnog dejstva fotoelementa se definiše kao odnos maksimalne izlazne snage i snage zračenja koje pada na njegovu površinu:
ENP
f
max=η . (6.9)
Ovde je broj fotona koji padaju u jedinici vremena a fN E njihova srednja energija. Približno, pošto je struja zasićenja obično za nekoliko redova veličina manja od struje kratkog spoja
ENU
kTeUkT
eU
If
max
max
max
f
+=
1η (6.10)
74
gde predstavlja izlazni napon fotoelementa pri maksimalnoj snazi. Broj zavisi od širine zabranjene zone tako što ukoliko je ta širina veća, manje fotona ima dovoljnu energiju. S druge strane, sa porastom širine, raste struja zasićenja pa se očekuje da koeficijent korisnog dejstva ima pri određenoj vrednosti
maxU fN
EΔ ima maksimum, što je i potvrđeno. Sa slike (6.6) se uočava značajno opadanje koeficijenta korisnog dejstva sa porastom temperature. Mada je teorijska procena maksimalne vrednosti i do 45%, u praksi je do sada realizovano samo oko 20%.
Radi povećanja efikasnosti poželjno je da poluprovodnik od kojeg je izrađen fotoelement ima što širu spektralnu osetljivost. Na slici (6.7) prikazana je zavisnost osetljivosti nekih fotoelemenata od talasne dužine upadnog zračenja. Širokim opsegom odgovarajućih talasnih dužina odlikuje se fotoelement pod nazivom "silikon".
1. selen 2. kadmijum sulfid 3. kadmijum selenid 4. ”silikon”
λ(nm)
spektralna osetljivost (%)
1
2
3
4
100
40
20
80
60
400 1200800
Sl. 6.7. Spektralna osetljivost nekih fotoelemenata Zbog relativno niske efikasnosti solarnih ćelija, za dobijanje većih snaga se grade elektrane (sistemi) od velikog broja ćelija koji zauzimaju znatne površine. Za to su pogodni tereni sa velikom osunčanošću, a koji nisu pogodni za neke druge delatnosti kao što je, na primer, poljoprivreda. Takve oblasti su pustinje u kojima se međutim javljaju drugi problemi: preterano zagrevanje koje smanjuje efikasnost i zasipanje površine ćelija peskom i prašinom usled pustinjskih vetrova.
6.2. Fokusiranje Sunčevog zračenja
Najvažnija primena solarne energije je svakako proizvodnja električne, ali postoje i druge mogućnosti eksploatacije. Prema Drugom zakonu termodinamike, da bi se povećala efikasnost konverzije toplotne u mehaničku energiju, neophodno je da temperatura grejača bude što viša. Temperatura hladnjaka je u ovom slučau ograničena temperaturom okoline, što znači da za postizanje efikasnosti 50 % za temperaturu hladnjaka 300 K, temperatura grejača ne sme biti niža od 600 K. Ako se zagrevanje vrši sunčevim zračenjem, bez fokusiranja temperatura grejača teško može dostići ovu vrednost. Iz tog razloga razvijane su različite konfiguracije fokusiranja Sunčevog zračenja.
75
6.2.1. Sunčane peći
Za dobijanje visokih temperatura se koriste sunčane peći. To su sistemi za koncentrisanje energije sunčevog zračenja u maloj oblasti prostora što se obično postiže ogledalima, kao na slici (6.8).
Sl. 6.8. Princip sunčane peći Na poslednjem primeru se svi odbijeni zraci seku u žiži paraboličnog ogledala, te se u toj tački postiže temperatura od nekoliko stotina stepeni Kelvinovih. Ovakva mala sunčana peć može da se koristi za kuvanje. Prvu veliku sunčanu peć "konstruisao" je po predanju još 214 god. p.n.e. Arhimed prilikom napada Rimljana na Sirakuzu. Velikim brojem poliranih metalnih ogledala usmerio je sunčevo zračenje na rimsku flotu usidrenu pred Sirakuzom i zapalio je.
6.2.2. Centralni prijemnik sa heliostatima
Za dostizanje velikih snaga koristi se sistem heliostata koji fokusiraju Sunčevo zračenje na centalni prijemnik.
Jedan savremeni sistem za dobijanje velike snage koncentracijom sunčeve
energije postavljen je na Pirinejima u Francuskoj i prikazan na slici (6.9). Ravna ogledala čiji se položaj reguliše prema trenutnom položaju Sunca -heliostati- postavljena su stepenasto na padini. Sa 63 heliostata ukupne površine oko 3500 m2 , sunčeva svetlost se usmerava na parabolično ogledalo površine 36 m2 , sastavljeno od 9500 malih ogledala i posle odbijanja se koncentriše na površini od svega 1.2 m2 gde se dobija snaga od 600 kW i temperatura blizu 4000 0 C. Ova snaga predstavlja 60% od snage koju sakupljaju heliostati što znači da je koeficijent korisnog dejstva u poređenju sa, na primer, fotoelemetima vrlo visok.
Izuzetan značaj odnosno prednost ovakve peći je u tome što se visoke temperature ostvaruju čisto, tj. bez upotrebe bilo kakvog goriva. One se mogu iskoristiti za topljenje bez unošenja primesa i čisto spajanje metala bez korišćenja legura za lemljenje.
76
18 m
40 m
Sl. 6.9. Sunčana peć u Pirinejima
Sunčanim pećima velike snage može da se zagreva voda i proizvodi para za pokretanje turbina bilo za neposredno vršenje mehaničkog rada, bilo za dobijanje električne energije u termoelektranama. Na postrojenju u Pirinejima je izvesno vreme bila u eksperimentalnom radu solarna elektrana ali je 1987. godine eksperiment prekinut zbog neekonomičnosti. Naime, sunčevom energijom je do 500 °C je zagrevan rastop soli
, i koji je preko izmenjivača toplote proizvodio vodenu paru. Međutim, ovaj rastop ispod 200 °C kristališe, pa je za održavanje u tečnom stanju tokom noći i oblačnih dana trebalo ulagati velike količine energije. Ipak, eksperiment je poslužio za sakupljanje dragocenih iskustava.
2NaNO 3NaNO 3KNO
Aktuelna je priprema za izgradnju nove elektrane snage 100 MW u Uzbekistanu, u kome postoji postrojenje ovog tipa snage 700 kW. Novo postrojenje bi bilo najveće ove vrste u svetu. Površina heliostata bi iznosila 3020 m2, a koncentratora 1840 m2. Temperatura u fokusu koncentratora (paraboličnog ogledala) dostizala bi 3000 °C.
centralni prijemnik
polje heliostata
reflektovanisunčevi zraci
heliostati
Sl. 6.10. Solarna elektrana sa centralnim prijemnikom "Toranj" konfiguracije koriste čitavo polje ogledala za fokusiranje sunčevog zračenja na centralni toranj, koji onda pokreće glavni generator. Do sada su napravljeni eksperimentalni sistemi koji imaju izlaznu snagu i iznad 10 MW. Ova postrojenja imaju i mogućnost rada preko noći i po lošem vremenu tako što spremaju zagrejanu tečnost u toplotno izolovan rezervoar.
77
6.3. Solarni kolektori
Sunčani kolektori su uređaji za sakupljanje energije kratkotalasnog dela Sunčevog spektra, čije su talasne dužine između 0.3 i 3 μm. Za razliku od sunčanih peći, kod kolektora se postižu temperature uglavnom ispod tačke ključanja vode, a najviše do 120 °C. Sakupljanje se vrši jako apsorbujućom površinom a sakupljena energija prelazi u unutrašnju energiju nekog fluida. Na slici (6.11) je prikazan ravan solarni kolektor. Osnovni delovi su pokrivač, kolektorska ploča, cevi za protok fluida, termički izolator i ram.
pokrivač vakuum cev za fluid
kolektorska ploča izolator
ram
Sl. 6.11. Ravan sunčani kolektor
Pokrivač je od providnog materijala, obično stakla, koje propušta 60-90% upadnog zračenja, zavisno od vrste i debljine materijala i orijentacije kolektora u odnosu na pravac sunčevog zračenja. Istovremeno, pokrivač ne sme da propušta dugotalasni deo spektra kojeg emituje kolektorska ploča kad se zagreje. U tom cilju može se izraditi iz više slojeva. Kolektorska ploča se pravi od bakra, aluminijuma ili čelika. Ona apsobuje energiju upadnog zračenja i obojena je mat crnom bojom da bi imala karakteristike što bliže crnom telu. Treba da bude otporna na stalno zagrevanje i da što manje emituje toplotu. Cevi kroz koje se propušta fluid koji se greje, treba da ostvaruju dobar kontakt sa kolektorskom pločom i da imaju veliku toplotnu provodljivost i dovoljno veliki poprečni presek da ne bi došlo do pregrevanja. Takođe, treba da budu otporne na koroziju ako se kao fluid koristi voda koja sadrži rastvorene minerale. Fluid koji prenosi sakupljenu energiju je ipak najčešće voda, a može biti i vazduh, smeša etilen-glikola i vode (antifriz), ili specijalna ulja. Tečnosti efikasnije prenose toplotu, dok su prednosti vazduha te što ne izaziva koroziju i ne zamrzava se. Protok fluida se u svakom slučaju mora kontrolisati pošto pri pregrevanju rastu gubici energije. Međutim, ako se koristi voda, bržim proticanjem uvećavaju se i oštećenja nastala korozijom. Termički izolator male toplotne provodljivosti umanjuje gubitak energije kroz zadnji zid kolektora. Poželjno je da gustina upotrebljenog materijala bude mala da se ne bi znatno povećala ukupna masa kolektora. Ceo sistem se nalazi u ramu koji ga hermetički štiti od vlage i prašine a istovremeno omogućava različito širenje pojedinih delova pri zagrevanju.
78
kolektor
hν pomoćni
grejač
topla voda
rezervoar
ulaz hladne
vode
Ravni kolektori su obično fiksirani tako da im je pokrivač okrenut ka jugu (na severnoj hemisferi), da bi što duže u toku dana bili obasjani. Ugao nagiba prema horizontalnoj ravni se reguliše prema geografskoj širini kako bi se sakupio maksimalan iznos energije. Ukoliko se koristi prirodna cirkulacija fluida, na većoj visini od one na kojoj je kolektor, postavlja se rezervoar, kao na slici (6.12), ili se protok ostvaruje ugradnjom pumpe. Sl. 6.12. Primena sunčanog
kolektora na porodičnoj kući Koeficijent korisnog dejstva kolektora zavisi od razlike temperatura kolektorske ploče i fluida i raste sa njenim smanjenjem. Obično je između 20 i 60%.
Sunčani kolektori su izuzetno pogodni za dobijanje tople vode u oblastima sa dugim sunčanim periodima u toku dana. Njihova primena u domaćinstvima i turizmu može znatno da doprinese uštedi drugih oblika energije. Procenjeno je da je sa ekonomskog aspekta optimalna površina kolektora oko 30 m2 . Za domaćinstva se iz praktičnih razloga proizvode manji kolektori, površine do 6 m2 . Slika (6.13) prikazuje sistem za zagrevanje porodične kuće vodom koja se iz
rezervoara pumpom prevodi u kolektor, a zatim drugom pumpom u sistem za podno grejanje, kao na slici, ili u mrežu radijatora. Ukoliko temperatura nije dovoljno visoka, u bojleru se vrši dogrevanje električnom ili nekom drugom energijom. Jedan deo može da se sprovede u vodovodnu mrežu za higijenske i druge potrebe.
kolektor
podno grejanje
dogrevanje pumpa
pumpa ulaz hladne vode
Sl. 6.13. Grejanje vode sa prirodnom cirkulacijom
79
7. MHD METOD TRANSFORMACIJE ENERGIJE
Magneto-hidrodinamički generator je uređaj za konverziju toplotne energije u električnu primenom zakona dinamike fluida na kretanje naelektrisanih čestica u magnetnom polju. Još je davne 1832. godine Majkl Faradej ukazao na mogućnosti dobijanja električne energije kretanjem fluida koji sadrži jone u magnetnom polju. Pokušao je da izmeri jačinu struje indukovane kretanjem morske vode u reci Temzi u magnetnom polju Zemlje. U toku 20. veka predlagana su različita tehnička rešenja za dobijanje električne energije koristeći ovaj bazični koncept fizike. Prvi eksperimenti realizovani su 1938. godine u Americi, a intenzivna istraživanja su nastavljena tokom čitavog 20. veka prvenstveno u bivšem Sovjetskom Savezu i SAD.
7.1. Koncept MHD generatora
Pojednostavljeni model analize rada MHD generatora podrazumeva sledeće pretpostavke:
1. radni fluid je idealni gas, 2. gas struji konstantnom brzinom, 3. generisani magnetni fluks ostaje sve vreme konstantan i 4. nema razmene toplote sistema sa okolinom.
Šema MHD generatora je prikazana na slici (7.1). Osnovni deo je kanal širine d , visine i dužine b l , postavljen u pravcu x ose. Gornji i donji zid kanala su napravljeni od izolatorskog a bočni zidovi od provodnog materijala spojeni preko potrošača otpornosti . U kanalu postoji homogeno magnetno polje indikcije R B
r čiji se pravac i
smer poklapaju sa osom. Vreli jonizovani gas (plazma) ulazi u kanal brzinom vz r u
pravcu x ose. Na naelektrisane čestice deluje Lorencova sila )( BvqFL
rrr×= koja ih
razdvaja prema znaku naelektrisanja i usmeravajući ih ka bočnim zidovima indukuje električno polje BvEi
rrr×= . Gustina indukovane struje, ii Ej
rrσ= , gde je σ
provodljivost gasa, interaguje sa magnetnim poljem silom BjF ii
rrr×= koja ima isti
pravac ali suprotan smer od brzine vr . Ukoliko se na provodne zidove kanala priključi spoljašnje električno polje E
r
usmereno suprotno od vektora ijr
rezultujuća gustina struje će biti
)( BvEjrrrr
×σ+σ= , (7.1)
a sila BBvEBjFrrrrrrr
××+σ=×= )( . (7.2)
80
z
x
y
d
b
l
Bv
vxB
R
Sl. 7.1. Princip rada MHD generatora
Kada je spoljašnje polje jače od indukovanog ova sila će imati isti smer kao brzina i delovati ubrzavajuće. Pri obrnutom smeru polja, sila će prigušivati kretanje čestica plazme. Spoljašnje polje dakle može da deluje upravljački. Ovo su, naravno, sve pojednostavljena razmatranja. Kretanje čestica plazme kroz kanal je vrlo složeno zbog čestih međusobnih sudara, tako da se stalno menja ugao između brzine čestica i magnetnog polja. Procenimo jednostavnim postupkom koeficijent korisnog dejstva i snagu MHD generatora. Neka kroz potrošač protiče struja I . Označimo sa ε i r indukovanu elektromotornu silu i unutrašnju otpornost generatora a sa U napon na priključenom potrošaču. Prema Omovom zakonu za celo strujno kolo je
IrU +=ε gde je Bvd=ε . Ako je S površina provodnih zidova, unutrašnja otpornost će biti Sdr σ= / , odnosno
S
IdUBvdσ
+= (7.3)
odakle je struja po jedinici površine
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −σ=
dUBv
SI
. (7.4)
Uvedimo odnos )/( RrRk += . Električni koeficijent korisnog dejstva definišemo kao odnos korisne snage i snage izvora:
PPk
e =η (7.5)
81
gde je a RIPk2= IP = ε . Prema tome
BvE
BvdU
e ==η (7.6)
gde je E intenzitet električnog polja u kanalu. Dobijena energija se dakle manifestuje u obliku indukovanog električnog polja, a uložena kroz magnetno polje u kanalu i količinu toplote potrebnu za zagrevanje gasa do temperature na kojoj čestice imaju veliku brzinu. Kako je ε )( RrI += , brojna vrednost ovog koeficijenta korisnog dejstva je tačno k . Međutim ukupan koeficijent korisnog dejstva je niži pošto zavisi i od drugih procesa, kao što gubici u okolinu tokom zagrevanja gasa, promena temperature duž kanala itd., i iznosi u dosadašnjim eksperimentima do 18%. Snaga na potrošaču iznosi IUPk =
SdkkvBPk )1(22 −σ= . (7.7)
Kako proizvod predstavlja zapreminu generatora, gustina snage je Sd
)1(22 kkvBSdPk −σ= (7.8)
i ima maksimum za k = 0.5.
U zavisnosti od vrste radnog fluida, realizovana su dva tipa eksperimentalnih MHD generatora i to sa: 1. otvorenim ciklusom koji koriste gasovite produkte sagorevanja različitih goriva, slika (7.2) i 2. zatvorenim ciklusom, koji rade sa plemenitim gasovima, slika (7.3). U komoru za sagorevanje (1) dovodi se gorivo i sagoreva uz dovođenje vazduha obogaćenog kiseonikom iz kompresora (10). Dobijeni gasovi temperature oko 3000 K sa dodatkom kalijuma kao jonizatora u iznosu od 1%, struje brzinom od oko 800 m/s kroz mlaznicu (2) prema kanalu MHD generatora (3) oko kojeg su kalemovi (5) za proizvodnju magnetnog polja. Dobijena jednosmerna struja se transformiše u naizmeničnu (6). Posle izlaska gasova iz kanala kroz difuzor (4), izdvaja se u posebnom uređaju (7) jonizator, da bi se ponovo upotrebio.
82
gorivo vazduh voda
14
13
1211 10 9
8
7
6
1
5
2 4 3
1. Komora za sagorevanje 6. AC-DC pretvarač 11. Parna turbina 2. Mlaznica 7. Izdvajač jonizatora 12. Alternator 3. Kanal MHD generatora 8. Predgrejač 13. Kondenzor 4. Difuzor 9. Generator pare 14. Pumpa 5. Elektromagnet 10. Kompresor
Sl. 7.2. MHD generator sa otvorenim ciklusom U MHD generatorima sa zatvorenim ciklusom se kroz magnetno polje propušta plazma nekog plemenitog gasa, obično argona ili helijuma koji se po izlasku iz kanala ponovo zagreva, jonizuje i vraća na ulaz generatora. Zbog toga uređaj nosi naziv ″zatvoren″. Šematski prikaz je dat na slici (7.3).
Za zagrevanje gasa do visoke temperature može da se koristi na primer toplota iz nuklearnog reaktora (1). Posle prolaska kroz kanal MHD generatora (2) i izdvajanja jonizatora (3), vreli gasovi prolaze kroz predgrejač (4) i generator pare (5) gde se iskorišćava preostala toplotna energija. Zatim se kompresorom (6) vraćaju na početak ciklusa. S druge strane, para stvorena u generatoru pare, kao i kod uređaja sa otvorenim ciklusom, se odvodi ka parnoj turbini (7) za proizvodnju električne energije.
83
gas voda
1
2 3
54
6 9
8
7
10
1. Nuklearni reaktor 6. Kompresor 2. MHD generator 7. Pumpa 3. Izdvajač jonizatora 8. Turbina 4. Predgrejač 9. Alternator 5. Generator pare 10. AC-DC konvertor
Sl. 7.3. MHD generator sa zatvorenim ciklusom
Provodljivost gasa kao radnog fluida u MHD generatorima zavisi od njegovog hemijskog sastava i temperature koja je odgovorna za stepen jonizacije. Veliku brzinu čestica imaju na primer produkti sagorevanja goriva za mlazne motore pošto je njihova temperatura nekoliko hiljada kelvina. Međutim na toj temperaturi je provodljivost niska pošto je mali broj atoma jonizovan. Povećanjem temperature povećava se provodljivost, ali raste i iznos uložene energije, a istovremeno se pojavljuje problem izdržljivosti zidova kanala. Zbog toga se, u cilju povećanja provodljivosti, gasu dodaju atomi alkalnih metala, uglavnom kalijuma i cezijuma koji imaju nizak jonizacioni potencijal. Oni igraju ulogu jonizatora ali poskupljuju cenu gasa. Izgradnja kanala i metalnih obloga nije jednostavna. Kanal treba da bude od izolatora koji ima visoku temperaturu topljenja i da bude otporan na korozivno i erozivno delovanje plazme, što je teško sve istovremeno zadovoljiti. Cirkonijumov, titanijumov i hafnijumov borid su se do sada najbolje pokazali. Metalne obloge osim izdržljivosti treba još i da imaju dobru električnu provodljivost. Eksperimentiše se sa oksidima lakih metala.
84
Poseban problem je ostvarivanje jakog homogenog magnetnog polja u prostoru velikih dimenzija. Ovo zahteva ulaganje velike količine električne energije ili primenu kalemova od superprovodnih materijala. Tehničke poteškoće i veliki troškovi eksperimenata učinili su da je krajem 20. veka ideja MHD generatora bila dosta potisnuta, ali je interes ponovo porastao. Uglavnom se radi na projektima koji povezuju MHD gneratora sa nekim drugim energetskim postrojenjem, na primer nuklearnom elektranom ili gasnom turbinom termoelektrane u cilju povećanja efikasnosti.
7.2. Nova generacija MHD generatora
LNG/MHD generator (sistem sa tečnim prirodnim gasom) kao izvorom toplote. Spada u grupu MHD generatora sa zatvorenim ciklusom s obzirom da ne uključuje u rad nikakav drugi sistem. Očekivani koeficijent korisnog dejstva sistema bio bi oko 60 %.
MHD sistem sa gasnom turbinom i nuklearnim reaktorom trebalo bi da, kao radni gas, koristi helijum koji bi cirkulisao kroz sistem. Kao izvor toplote trebalo bi da bude korišćen visokotemperaturski gasom hlađeni nuklearni reaktor. Očekivani koeficijent korisnog dejstva ovakvog sistema je oko 47 %.
Nuklearni MHD sistem trebalo bi da uključi u rad visokotemperaturski gasom
hlađeni fisioni reaktor (HTGR) koji bi sa MHD generatorom trebalo da obezbeđuje električnu struju u sistemima svemirskog programa. Radni gas je smeša inertnih gasova helijuma i ksenona. Efikasnost elektrane se procenjuje na 55 % a proizvedena snaga na 2.76 MW. Visoka radna temperatura i smanjenje gubitaka pomoću izmenjivača toplote osnovni su razlozi visoke efikasnosti. Ušteda goriva u radu kvalifikuje ovaj sistem kao perspektivan.
CO2 MHD generator - U ovom sistemu radni gas za MHD generator nastaje sagorevanjem H2 i CO u čistom kiseoniku na temperaturi od 2800 °C. U delu sistema posle MHD generatora toplota se dodatno iskorišćava u procesu gasifikacije uglja, predzagrevanjem goriva i odvajanjem gasova. Utrošak energije za proizvodnju kiseonika može se nadoknaditi radom na visokoj temperaturi što omogućava veliku efikasnost MHD generatora. Ukupna efikasnost elektrane procenjuje se na preko 50 %.
Prednost MHD generatora je odsustvo pokretnih delova što omogućava rad na temperaturama višim nego u procesima konvencionalne konverzije. Radne temperature mogu dostizati 3000 K i maksimalna teorijski procenjena efikasnost kombinovanih sistema dostiže 90 % , s obzirom da efikasnost elektrana raste sa porastom radne temperature. (Treba naglasiti da nisu uzeti u obzir gubici toplote na gasnoj turbini elektrane niti sama konstrukcija sistema). Uloga MHD generator kao reduktora emisije CO2 će takođe dobiti svoje mesto. Instalacije nuklearnih elektrana visoke efikasnosti, kao i razvoj sistema koji bi kao gorivo koristili CO2 trebalo bi da doprinesu rešavanju ovog ekološkog problema. Predloženi sistemi koji bi doveli do redukcije emisije štetnih gasova u atmosferu sigurno će biti važan motiv u tehničkim rešenjima elektrana sa MHD generatorima.
85
8. KONVERZIJA HEMIJSKE ENERGIJE U ELEKTRIČNU
Hemijski izvori struje konvertuju hemijsku energiju u električnu. Dele se na primarne ili galvanske, sekundarne ili akumulatore i gorive ćelije. Njihov značaj se ogleda u i tome što čuvaju električnu energiju u vidu hemijske.
8.1. Galvanski elementi
Galvanski elementi su izvori jednosmerne struje (jednosmerne elektromotorne sile) koji se mogu odmah eksploatisati. Često se nazivaju i elektrohemijskim elementima zbog činjenice da čuvaju električnu energiju u vidu hemijske. Hemijske reakcije koje se u njima odvijaju su sa stanovišta termodinamike povoljne jer su spontane (razlika slobodnih energija G je negativna, jer se G smanjuje kada sistem vrši rad), a odigravaju se kada se dve elektrode od materijala različitih redoks potencijala spoje provodnikom.
Ano
da
Kat
oda
Elektrolit
jon
jon
Potrošač
e
Na slici (8.1) je dat šematski prikaz galvanskog elementa. Svaka elektroda se delimično rastvara u elektrolitu tako što pozitivni joni metala odlaze u elektrolit a elektroda ostaje sa viškom elektrona koji je određen prirodom metala. Eletrolit mora biti dobar jonski provodnik ali i dobar elektronski izolator kako bi se sprečio kratak spoj. U praksi se zbog toga koriste porozne membrane (separatori) koje sprečavaju direktan kontakt između elektroda i dozvoljavaju jonima ali ne i elektronima da kroz nju prođu. Takođe, elektrode mogu biti i fizički odvojene Potencijalna razlika između elektrode i elektrolita u stanju dinamičke ravnoteže se naziva elektrodni potencijal. U tabeli 8.1 su navedene vrednosti elektrodnih potencijala nekih metala u odnosu na vodonik čiji se potencijal uzima kao nulti na svim temperaturama.
Sl. 8.1. Galvanski element
86
Tabela 8.1. Elektrodni potencijali
jon elektrodni potencijal (V)
jon elektrodni potencijal (V)
Ag -0,799 Mg 2,340
Al 1,670 Ti 1,750
Zn 0,762 Mn 1,050
Fe 0,440 Cr 0,710
Sn 0,140 Ni 0,240
Pb 0,126 Cu -0,347
Au -1,420 Cu -0,522
Cd -0,400
Zbog razlike elektrodnih potencijala, kada se elektrode spoje metalnim provodnikom, kroz njega protiče jednosmerna struja. Strujno kolo se kroz elektrolit zatvara kretanjem jona elektrolita i pri tome dolazi do raznih hemijskih reakcija. U hemijskim reakcijama između metala i elektrolita dolazi do promene unutrašnje energije U , supstancija koje reaguju. Ova promena U je proporcionalna broju atoma koji su reagovali, tj. masi m metala koji se rastvorio u elektrolitu:
mU . (8.1)
Koeficijent proporcionalnosti se naziva specifična energija hemijske reakcije. Ukupna promena energije usled hemijskih reakcija na katodi i anodi jednaka je radu pri premeštanju naelektrisanja q duž kola:
qEUU ak , (8.2) gde je E elektromotorna sila galvanskog elementa. Procesi na katodi su egzotermni, tj. praćeni su oslobađanjem energije, ( kU >0), a na anodi endotermeni tj. sa apsorpcijom, ( aU <0). Dakle,
qEmm aakk . (8.3) Deljenjem sa q dobija se da je elektromotorna sila galvanskog elementa
aakk kkE , (8.4) gde je qmk / elektrohemijski ekvivalent metala od kojeg je elektroda. Opisaćemo ukratko nekoliko najvažnijih galvanskih elemenata.
87
8.1.1. Voltin element
Voltin element je najjednostavniji hemijski izvor struje i danas ima istorijski značaj. Elektrode su ploče od bakra i cinka, a elektrolit razblažena sumporna kiselina. Bakarna ploča ima viši potencijal i igra ulogu pozitivne elektrode, a cinkana negativne. Proces teče na sledeći način: Elekroni, koji kroz spoljašnji deo kola stignu na bakarnu elektrodu, odlaze u rastvor i neutrališu bakarne jone koji se zatim talože na elektrodi. Cink se stalno rastvara i na taj način nadoknađuje elektrone koji su otišli na bakarnu elektrodu. U elektrolitu se pozitivni joni H kreću ka bakarnoj elektrodi pošto je oko nje neutralizacijom smanjena koncentracija pozitivnih jona. Negativni joni rastvora ( 2
4SO ) kreću se ka cinkanoj ploči, s obzirom da oko nje stalno ima pozitivnih jona cinka. Vek trajanja Voltinog elementa nije određen samo brzinom trošenja cinkane ploče već i pojavom polarizacije elektroda. Naime, oko bakarne elektrode se nagomilava vodonik i prekrivajući je menja električno polje oko nje i odbija sledeće vodonične jone što dovodi do gušenja procesa. Ova pojava se naziva polarizacija. Elektromotorna sila Voltinog elementa iznosi 1.003 V.
8.1.2. Danijelov element Danijelov element ima, kao Voltin, elektrode od bakra i cinka, ali je prostor u kome je elektrolit podeljen hemijski neaktivnom poroznom pregradom. Bakarna elektroda je potopljena u rastvor bakarsulfata ( 4CuSO ), a cinkana u razblaženu sumpornu kiselinu. Pregrada onemogućava mešanje elektrolita. Cink se rastvara u sumpornoj kiselini i reaguje oslobađajući vodonik:
HZnSOSOHZn 2442 . (8.5)
Pozitivni joni vodonika krećući se ka bakarnoj elektrodi, prolaze kroz poroznu pregradu i reaguju sa rastvorom bakarsulfata:
CuSOHCuSOH 4242 . (8.6) Joni bakra se na bakarnoj elektrodi neutrališu i talože, a nagomilavanja vodonika oko elektrode nema. Elektromotorna sila Danijelovog elementa iznosi oko 1.1 V i vrlo sporo opada. Zbog svoje stabilnosti Danijelov element često služi kao etalon.
88
8.1.3. Leklanšeov element
Leklanšeov element od svih galvanskih elemenata ima najširu primenu. Pozitivna elektroda je ugljenika, a negativna od cinka. Elektrolit je rastvor amonijum hlorida ( ClNH 4 ). Ugljena elektroda je postavljanjem u porozni sud napunjen mangandioksidom ( 2MnO ) zaštićena od polarizacije. Jon hlora iz elektrolita reaguje sa cinkom:
eZnClClZn 22 2 (8.7)
pri čemu cinkhlorid odlazi u rastvor, a elektroni na cinkanu elektrodu. Jon
4NH se posle neutralizacije raspada na amonijak 3NH i vodonik. Amonijak ostaje u rastvoru, dok vodonik sa kiseonikom iz mangandioksida daje vodu. Elektromotorna sila Leklanšeovog elementa iznosi 1.5 V. U praksi se uglavnom koristi tzv. suvi Leklanšeov element (slika 8.2) kod kojeg je elektrolit u obliku paste, što čini uređaj lako prenosivim. Sud u kome se pasta nalazi je od cinka i služi kao negativna elektroda. Pirključak na ugljenu anodu je preko metalnog kontakta a katoda često i nema poseban kontakt. Ovakav izvor jednosmerne struje se masovno primenjuje za napajanje malih potrošača - džepnih lampi, tranzistorskih prijemnika itd. Pošto se u trgovini pojavljuju ne samo pojedinačni elementi već i njihove serijske veze sa elektromotornom silom od 3, 4.5 i 9 V, uobičajen je popularni naziv "baterija".
8.1.4. Živina baterija
Živine baterije imaju veliku primenu. Presek baterije je prikazan na slici (8.3) i osnovni elementi su: anoda (1) od cinka, katoda (2) od živinog oksida ( HgO ) pomešanog sa grafitom ili mangan dioksidom. Elektrolit je kalijum hidroksid zasićen cink oksidom (3), i on je apsorbovan u hemijski neaktivnom višeslojnom separatoru koji razdvaja katodu i anodu. Omotač baterije (4) je od čelika i preko njega se ostvaruje kontakt sa pozitivnim polom, tj cinkom. Drugi kontakt (-pol, (5)) je razdvojen izolatorskom oblogom (6).
Živine baterije se odlikuju malom unutrašnjom otpornošću. Elektromotorna sila baterije iznosi oko 1.3 V i ostaje konstanta gotovo sve vreme njenog trajanja. Zbog
izolator
Zn
C
MnO2
NH4Cl
+
Sl. 8.2. Suvi
Leklanšeov element
5
4
6
3
2
1
Sl. 8.3. Živina baterija
89
minijaturnih dimenzija i trajnosti, upotrebljavaju se najčešće u elektronskim časovnicima i mnogim drugim uređajima gde se zahtevaju ovakve osobine. Osnovni nedostatak ovih baterija je što po istrošenosti postaju zbog sadržaja žive opasan otrovni otpad.
8.1.5. Srebrooksidne baterije Srebrooksid se odlikuje velikim elektrodnim potencijalom. Pozitivna elektroda baterije je od srebrooksida, ponekad pomešanim sa malo mangandioksida, a negativna od praha cinka pomešanog u gel elektrolita, obično kalijum - ili natrijumhidroksida. Separator razdvaja pozitivnu elektrodu od negativne u gelu. Elektromotorna sila ove baterije je oko 1.5 V i ostaje stalna gotovo čitavo vreme trajanje baterije. Pravi se, kao i živina, u obliku tablete a koristi u časovnicima, slušnim aparatima i mnogim drugim uređajima. Osim navedenih, danas postoje i baterije sa čvrstim elektrolitom koji je obično po hemijskom sastavu neka so. Naprimer, baterija sa olovnom anodom i katodom od srebrohlorida ima za elektrolit čvrst olovohlorid, itd. Ove baterije imaju male dimenzije i dug vek.
8.2. Akumulatori Akumulatori su sekundarni hemijski izvori struje, što znači da se pre eksploatacije moraju napuniti korišćenjem spoljašnjeg izvora elektrona, pri čemu se električna energija pretvara u hemijsku. Kao i kod galvanskih elemenata, osnovni delovi su dve metalne elektrode i odgovarajući elektrolit. Hemijski procesi između elektroda i elektrolita se pri pražnjenju odvijaju suprotno od onog pri punjenju i električna energija se dobija iz hemijske. Osnovne fizičke karakteristike akumulatora su, osim elektromotorne sile, dva koeficijenta korisnog dejstva i kapacitet. Prvi koeficijent korisnog dejstva se definiše na uobičajen način, tj. kao odnos dobijene i uložene energije, i zove se energetski koeficijent korisnog dejstva, eη . Drugi, koji predstavlja količnik naelektrisanja dobijenog pri pražnjenju i utrošenog pri punjenju, se naziva koeficijent korisnog dejstva po naelektrisanju, qη :
..
..
.
.
.
.η
punjpunj
prazpraz
punj
prazq tI
tIqq
(8.8)
gde su .prazI i .punjI struje pražnjenja i punjenja, a .prazt i .punjt vreme trajanja pražnjenja odnosno punjenja. Kapacitet akumulatora je ukupna količina naelektrisanja koja se može iz njega dobiti i obično se izražava u amper-časovima umesto u kulonima.
90
Hronološki, primat imaju olovni i nikl-kadmijumski akumulatori, ali postoji i niz drugih savremenih akumulatora koji se prodaju napunjeni i obično se nazivaju punjive baterije.
8.2.1. Olovni akumulator
Olovni akumulator ima kao elektrode ploče od olova a elektrolit je razblažena sumporna kiselina, koja se nalazi u staklenom ili plastičnom sudu. Zbog reagovanja sa sumpornom kiselinom obe ploče se oblože slojem olovosulfata 4PbSO . Pri punjenju ploče se vežu za polove jednosmernog izvora struje. Kada se akumulator puni, proizvodi elektrolize (H2 i O2) hemijski deluju na elektrode i na anodi nastaje olovni superoksid PbO2, a na katodi olovo Pb. Dakle, ploči vezanoj za pozitivan pol, sulfatni jon elektrolita predaje dva elektrona pa se putem reakcije
4222244 22 SOHPbOOHSOPbSO (8.9)
na njoj taloži olovooksid koji predstavlja aktivni sloj u procesu pražnjenja. Na negativnoj ploči se dobija čisto olovo u reakciji sa jonima vodonika iz elektrolita i elektronima pridošlim iz izvora
424 2 SOHPbHPbSO . (8.10)
Na kraju punjenja napon između ploča iznosi 2.7 V. Pri pražnjenju akumulatora dolazi do obrnutog procesa, električna struja teče kroz elektrolit u smeru od katode ka anodi. Dakle, kada se akumulator koristi kao izvor jednosmerne struje, pozitivan pol je ploča presvučena olovooksidom a negativna čisto olovo. Napon pri pražnjenju odmah spadne na 2 V i to je radni napon. Joni vodonika iz elektrolita stižu na anodu, uzimaju sa nje dva elektrona i u reakciji
OHPbSOSOHPbOH 24422 22 (8.11)
ponovo nastaje olovosulfat. Katodi sulfatni jon predaje dva elektrona tako da se i na njoj u reakciji
424 PbSOPbSO (8.12)
dobija olovosulfat. Pošto katoda od sulfatne grupe stalno dobija elektrone a anoda ih daje, napon između ploča je približno stalan. Akumulator može da se prazni dok se ne potroši olovooksid i obe ploče pređu u olovosulfat. Kako se u toku pražnjenja neki od jona
91
vodonika, odnosno kiseonika, rekombiniju i izgrade molekule 2H i 2O a ne vodu, potrebno je povremeno vodu dodavati. Koeficijenti korisnog dejstva olovnog akumulatora iznose eη = 0.65 i qη = 0.90. Cena akumulatora je relativno niska. Elektromotorna sila je, kao što je rečeno, 2 V a unutrašnji otpor reda 10-3 , što znači da bi struja kratkog spoja bila oko 2000 A. Ovaj akumulator dakle može da da jaku struju u kratkom vremenskom intervalu, što se koristi za stavljanje u pogon automobilskih motora. Ipak, nepažljivim rukovanjem akumulator se može lako strujom kratkog spoja oštetiti.
Kao nedostatak treba navesti i izuzetnu lomljivost ovih akumulatora zbog staklenog odnosno plastičnog suda. Olovo je veoma toksično, a sumporna kiselina izuzetno opasna. Takođe, zbog velike gustine olova ovaj tip akumulatora je vrlo masivan pa nije pogodan za prenosive uređaje. Vek im je relativno kratak, izdržavaju oko 300 ciklusa punjenje-pražnjenje. Međutim, olovo nije skupo i može se reciklirati, pa ukupni troškovi proizvodnje nisu veliki. Smatra se da će ovi akumulatori biti intenzivnije korišćeni u budućnosti, za na primer, akmuliranje električne energije dobijene konverzijom solarne.
Danas se u prodaji uglavnom nalaze tzv. "formirani" akumulatori kod kojih su ploče već od olovooksida odnosno olova, tako da pre upotrebe treba samo sipati elektrolit.
8.2.2. Nikl-kadmijumski akumulator
Elektrode ovog akumulatora su ploča od nikla i kadmijuma, a sud je od čelika usled čega je komercijalni naziv ovih akumulatora "čelični". Elektrolit je 20%-ni rastvor kalijum-hidroksida, tako da se ploče u reakciji sa elektrolitom oblože slojem nikl odnosno kadmijum hidroksida. Pri punjenju se kadmijumska ploča, kao budući negativni pol akumulatora, vezuje za negativni pol jednosmernog izvora i privlači jone kalijuma iz elektrolita:
CdKOHKOHCd 22)( 2 . (8.13)
Pozitivna niklena ploča privlači hidroksilnu grupu:
32 )()( OHNiOHOHNi . (8.14) Napon između polova na kraju punjenja je 1.7 V, ali brzo spadne na 1.25 V što se uzima kao radni napon. Tokom pražnjenja on ostaje približno konstantan pošto procesi teku na sledeći način: Joni hidroksilne grupe elektrolita predaju elektrone kadmijumskoj ploči i vezuju se za kadmijum gradeći ponovo sloj hidroksida:
2)(2 OHCdCdOH (8.15)
92
pri čemu elektroni odlaze u kolo. Na pozitivnoj ploči reaguju joni kalijuma
KOHOHNiOHNiK 2)(2)(22 23 (8.16)
uzimajući sa ploče dva elektrona i prevode i niklenu ploču u početno stanje. Dakle, u toku pražnjenja pozitivna ploča stalno daje elektrone a negativna ih prima što održava konstantan napon.
Koeficijenti korisnog dejstva ovakvih akumulatora su eη = 0.50 i qη = 0.65 pa su u tom smislu olovni akumulatori ekonomičniji. Nikl-kadmijumski akumulatori su i skuplji od olovnih. Međutim, zbog većeg unutrašnjeg otpora, koji je reda 0.1 , i čvrste posude, nikl-kadmijumski akumulatori su znatno izdržljiviji. Zbog toga se često upotrebljavaju za snabdevanje električnom energijom u terenskim uslovima.
8.2.3. Nikl – metal hidridne baterije Ovaj tip baterija nalazi sve veću primenu u automobilskoj industriji i velikim prenosivim elektronskim uređajima. Pozitivna elektroda je od nikl hidroksida NiOOH, a negativna jedinjenje metala, obično metalni hidrid, MH. Procesi teku na sledeći način: U toku pražnjenja, na pozitivnoj elektrodi NiOOH se redukuje
OHOHNieOHNiOOH 22 )( . (8.17)
Na negativnoj elektrodi, metalni hidrid se oksiduje
eOHMOHMH 2 . (8.18)
U toku punjenja, na pozitivnoj elektrodi se oksiduje Ni(OH)2 (8.19)
eOHNiOOHOHOHNi 22)( (8.20)
dok se metal redukuje na negativnoj elektrodi, OHMHeOHM 2 . (8.21)
8.2.4. Litijumske baterije Ova vrsta baterija je relativno nedavno razvijena, a koristi osobinu visokog elektrodnog potencijala litijuma, -3.01 eV. Elektromotorna sila litijumske baterije je 3.0 V, dvostruko veća od većine u prethodnom tekstu opisanih izvora. Unutrašnja otpornost baterije je mala sve vreme njenog trajanja. Litijumske baterije se, između ostalog, koriste
93
za napajanje strujom satelita, svemirskih vozila, uređaja za potrebe vojske. S obzirom da litijum burno reaguje sa vodom, nikakvi vodeni rastvori se ne mogu koristiti. Takođe, baterije moraju biti proizvedene i zapečaćene u atmosferi inertnog gasa.
CoCO2 – Li baterija
Kada je baterija puna, većina litijumovih jona se nalazi na elektrodi od grafita C6.
U toku pražnjenja, joni litijuma napuštaju negativnu elektrodu, kreću se kroz elektrolit, prolaze kroz mikroporozni film koji ima ulogu separatora, i jedine se sa oksidom kobalta na pozitivnoj elektrodi.
Dakle, u toku pražnjenja, na pozitivnoj elektrodi, joni litijuma se kombinuju sa
CoCO2,
221 LiCoOxexLiCoOLi x , (8.22)
a na negativnoj elektrodi izdvajaju se joni litijuma,
xexLiCCLix 66 . (8.23)
U toku punjenja, na pozitivnoj elektrodi se odvija reakcija suprotna od (8.23):
xexLiCoOLiLiCoO x 212 . (8.24)
Na negativnoj elektrodi, joni litijuma pod delovanjem spoljašnjeg izvora, napuštaju metalni oksid, kreću se kroz elektrolit, prolaze kroz film, i ugrađuju se u grafit:
66 CLixexLiC x . (8.25)
U prethodnim reakcijama udeo jona litijuma koji učestvuju u reakcijama je 10 x . Litijum jonske baterije sa CoCO2 kao osnovom za pozitivnu elektrodu, uglavnom
se koriste u malim elektronskim uređajima kao što su mobilni telefoni i digitalne kamere. Nedostatak ovih baterija je visoka cena kobalta i eksplozivnost dimenziono velikih baterija. Zbog toga su pogodnije litijum jonske baterije bazirane na mangan oksidu i gvožđe fosfatu.
LiFePO4 baterije
Jedinjenje LiFePO4 kao materijal za izradu pozitivne elektrode litijum jonskih
baterija otkriveno je 1996. godine na Univerzitetu u Teksasu. Ima odličnu toplotnu stabilnost, dobre elektrohemijske osobine, visok specifični kapacitet (170 mAh/g ili 610 C/g), visok sadržaj gvožđa, nisku cenu i nje toksičan.
94
LiFePO4 baterije se zasnivaju na jedinjenjima gvožđa FePO4 i LiFePO4. Pošto
su litijumovi joni veoma mali, razlika u molskim zapreminama ova dva jedinjenja je zanemarljiva a kristalografska struktura im je ista.
U napunjenoj LiFePO4 bateriji pozitivna elektroda je od FePO4, a negativna od
grafita ispunjenog atomima litijuma. U procesu pražnjenja, na pozitivnoj elektrodi joni litijuma bivaju utisnuti u FePO4,
44 LiFePOeLiFePO . (8.26)
Na negativnoj elektrodi iz grafita se izdvajaju joni litijuma,
eLiCLiC 66 (8.27)
U procesu punjenja, na pozitivnoj elektrodi izdvajaju se joni litijuma iz gvožđe fosfata
eLiFePOLiFePO 44 , (8.28)
a na negativnoj elektrodi, joni litijuma se ugrađuju u grafit 66 LiCeLiC . (8.29)
Aktuelni problem je svakako izvor litijuma s obzirom na povećano zanimanje za
ovaj tip baterija. Procenjene rezerve su 11 miliona tona. Smatra se da bi Avganistan mogao imati značajnu ulogu u proizvodnji zbog velikog broja slanih jezera.
8.3. Gorive ćelije
Gorive ćelije su hemijski izvori u kojima se električna energija dobija oksidacijom goriva koje se kontinualno dovodi u ćeliju, tako da proces može u principu da traje proizvoljno dugo. Još je početkom 19. veka britanski fizičar Robetr Grouv ustanovio da elektrohemijskim spajanjem vodonika i kiseonika nastaje električna struja. Ipak, ovo otkriće je ostalo potisnuto zbog konstrukcije klasičnog električnog generatora koji je radio na mnogo jednostavniji način i učinak je bio veći. Istraživanja su nastavljena i tokom 20. veka, ali sve do 60-tih kada su SAD u svom svemirskom programu, u letelicama Apolo i Džemini, odabrale gorive ćelije kao generator struje, ali i vode, nije bilo ozbiljnije primene. Gorive ćelije se odlikuju velikim koeficijentom korisnog dejstva koji može da iznosi i blizu 100%. Osnovni delovi su sud sa elektrolitom u koji se uvodi sa jedne strane gorivo a sa druge oksidans. Direktno mešanje goriva i oksidansa nije moguće. Elektrolit, koji može biti u tečnom ili čvrstom stanju, propušta samo određene jone. Metali od kojih
95
se izrađuju elektrode (najčešće platina, paladijum, rutenijum) moraju imati dobre mehaničke osobine, dobru otpornost na korozivno dejstvo elektrolita i jedinjenja koja nastaju u reakcijama (npr. vodena para). Elektrode ne učestvuju u hemijskom procesu već igraju ulogu katalizatora. Goriva ćelija se ne prazni i proizvodiće električnu struju i toplotu sve dok bude bila napajana gorivom. Gorivo se dovodi na anodu, a rezultat oksidacije goriva na anodi su nastali elektroni koji kroz spoljašnje kolo (provodnika ili potrošača) dolaze na katodu. Elektroni na katodi redukuju drugi hemijski element ili jedinjenje koje predstavlja oksidans u hemijskoj reakciji. Na slici (8.4) je kao primer data šema vodonične gorive ćelije. Vodonik se kao gorivo dovodi na anodu, a kiseonik kao oksidaciono sredstvo na katodu. Elektrolit je u tom slučaju kalijum hidroksid.
Proces se odvija na temperaturi između 200 i 300 C na sledeći način: Gorivi gas, vodonik, u kontaktu sa elektrodom disosuje i jonizuje se:
eHHH 2222 . (8.30)
Elektroni sa te elektrode se kreću kroz spoljašnji deo kola preko potrošača ka drugoj elektrodi. Kiseonik koji ulazi u ćeliju sa druge strane, u prisustvu elektrode takođe disosuje i sa pridošlim elektronima se redukuje:
OO 22 ; 22 OeO . (8.31)
R
H atom
O atomO2
H2O
H2
H+ jon
elektron
Sl. 8.4. Goriva ćelija Dobijeni jon reaguje sa vodom dajući hidroksilnu grupu
OHOHO 222 (8.32)
96
koja konačno, sa jonima vodonika koji su prošli kroz porozne elektrode, gradi vodu koja se izvodi iz ćelije:
OHHOH 2222 . (8.33)
Strujno kolo zatvara kretanje jona K i OH u elektrolitu. Dobijena razlika potencijala između elektroda iznosi 1.23 V. Radi dobijanja većih napona stotine ćelija se vezuju serijski.
Termodinamički aspekt rada gorive ćelije
U klasičnoj toplotnoj mašini, toplotna energija oslobođena sgorevanjem goriva se
pretvara u mehanički rad. U poređenju sa klasičnom toplotnom mašinom, gorive ćelije imaju prednost u tome što su reakcije goriva i kiseonika lokalno odvojene zbog toga što se procesi oksidacije i redukcije odvijaju na različitim elektrodama. Pošto u ćeliji nema klasičnog sagorevanja goriva sa aspekta termodinamike može se govoriti o ćeliji kao o jednotemperaturskom sistemu za razliku od toplotne mašine koja je najmanje dvotemperaturski sistem. Uz aproksimaciju da su reakcije na elektrodama ravnotežne (reverzibilne), na osnovu termodinamičke ravnoteže reverzibilnih procesa moguće je odrediti koeficijent korisnog dejstva i elektromotornu silu gorive ćelije. Koeficijent korisnog dejstva gorive ćelije se definiše na više načina. Prvi je koeficijent termičkog iskorišćenja, definisan preko promena termodinamičkih funkcija stanja i to: slobodne energije TSUF , i entalpije H :
HF
1η (8.34)
i može se izračunati na osnovu tablica funkcija stanja supstanci koje reaguju u ćeliji. Njegova vrednost može biti do 95%. Drugi, koeficijent naponskog iskorišćenja, 2η , predstavlja količnik napona opterećene ( effV ) i neopterećene ćelije (V ). Naime, pri uključenju potrošača napon spadne zato što se mogu pojaviti i neke dodatne, neželjene hemijske reakcije, gradijent koncentracije u elektrolitu ili u reagensima, i razvijanje Džulove toplote u elektrolitu. Dakle,
VVeff2η (8.35)
i obično iznosi oko 60%.
97
Najzad, definiše se i treći koeficijent strujnog iskorišćenja kao
nFNI
3η (8.36)
gde je I jačina dobijene struje, n broj elektrona koji učestvuje u reakciji, F Faradejeva konstanta (96.487 C) a N broj molova goriva koji reaguje elektrohemijski u jedinici vremena. Njegova vrednost je takođe vrlo visoka i kreće se do 98%. Kao mera uspešnosti konverzije hemijske energije u električnu obično se uzima proizvod 32ηη .
Tipovi gorivih ćelija
Gorive ćelije se mogu podeliti prema načinu rada i vrsti elektrolita. Prema načinu
rada dele se na primarne koje imaju kontinuirani dovod goriva i oksidansa, a produkti reakcije se odvode, i sekundarne (regenerativne) u kojima se dobijena voda koristi kao polazna sirovina za dobijanje goriva i oksidansa. Regenerativan sistem je prikazan je na slici (8.5). Voda se sprovodi u uređaj koji je hemijski razlaže, -disocijator-, odakle se izvode razdvojeni gasovi. Ovakva goriva ćelija je posebno pogodna u uslovima gde je otežano dostavljanje goriva kao što je slučaj u kosmosu. Za termičku disocijaciju molekula OH 2 potrebna je temperatura iznad 2500 C, što se može postići korišćenjem solarne energije u sunčanim pećima. Za razlaganje vode na nižim temperaturama još nije nađen odgovarajući postupak. Elektroliza nije ekonomski opravdana.
goriva }elija
disocijator
O2H2OH2
goriva ćelija
Prema vrsti elektrolita dele se na gorive ćelije sa: 1. alkalnim elektrolitom (u ovu grupu spada vodonična goriva ćelija), 2. rastopljenim karbonatima, 3. fosfornom kiselinom, 4. proton – izmenjivom membranom kao elektrolitom, 5. čvrstim oksidima kao elektrolitom.
Sl. 8.5. Regenerativna goriva ćelija
98
Gorive ćelije sa rastopljenim karbonatima
Radna temperatura ovih ćelija je od 600 ºC do 1000 ºC pri pritisku od 1 do 10
bara. Kao gorivo može da koristi vodonik ali i lake ugljovodonike. Kao elektroliti koriste se karbonati litijumovih ili kalijumovih soli (Li2CO3 ili K2CO3). Elektrolit je smešten u matricu od litijum aluminata na koju sa obe strane naležu elektrode, obično od nikl-oksida. Kada se zagreje do temperature od 650 ºC, so se rastopi pa provodi karbonatne jone od katode do anode. Na anodi, vodonik reaguje sa jonima i nastaje voda, CO2 i elektroni. Elektroni putuju kroz spoljašnje kolo i vraćaju se na katodu. Na katodi, kiseonik iz vazduha i CO2 reciklirani na anodi reaguju sa elektronima stvarajući karbonatne jone koji pune elektrolit i prenose struju kroz gorivu ćeliju. Ova ćelija proizvodi vodu bez obzira na vrstu goriva, a ako je gorivo ugljovodonik, proizvodi ugljen dioksid. Oba produkta je potrebno kontinuirano odvoditi iz sistema kako ne bi bila narušena kinetika reakcija u sistemu.
Koeficijent korisnog dejstva je oko 60 % a može se povećati na 80 % ako se
iskoristi otpadna toplota. Za sada su realizovane jedinice snage od 2 MW, ali postoje i projekti snage 100 MW. Prednosti ovog tipa gorivih ćelija su dobra reakciona kinetika, visoka efikasnost i ne zahtevaju katalizatore od plemenitih metala. Kao katalizator koristi nikl koji je jeftiniji od platine. Nedostatak se ogleda u povećanju korozije koja uzrokuje raspadanje materijala zbog visokih radnih temperatura.
Gorive ćelije sa fosfornom kiselinom (PAFC)
Radna temperatura ovih ćelija je od 150 ºC do 200 ºC, pritisku od 1 bar i radnom naponu 1.1 V. Koriste fosfornu kiselinu kao elektrolit a elektrode su od poroznog grafita. Pozitivno naelektrisani joni vodonika kreću se kroz elektrolit od anode prema katodi kroz elektrolit. Elektroni nastali na anodi kreću se kroz spoljašnje kolo i vraćaju se na katodu. Na katodi elektroni, joni vodonika i kiseonik stvaraju vodu koja se odvodi iz ćelije. Voda koja nastaje sakuplja se u oblasti katode. Nastalu vodu je potrebno kontinuirano odvoditi da bi se održale reakcije u ćeliji. Da bi se ubrzale hemijske reakcije, elektrode se impregniraju katalizatorom od platine. Oko elektroda se stvara CO koji kontaminira gorivu ćeliju. Koeficijent korisnog dejstva je do 50 % ali se može povećati iskorišćavanjem otpadne toplote i do 80 %.
Gorive ćelije sa proton – izmenjivom membranom (PEMFC)
Koristi polimerni elektrolit u obliku tankog, propusnog filma (membrane), koji ima formu acidifikovanog teflona. Membrana je mala i lagana, pa ćelija radi na nižim temperaturama od 70 do 90 ºC, pritisku od 1 do 2 bara, pri radnom naponu od oko 1.1 V. Sa obe strane membrane, na elektrode, stavlja se katalizator od platine radi ubrzavanja hemijske reakcije. Jonizovani pozitivno naelektrisani atomi vodonika šire se kroz poroznu membranu prema katodi. Elektroni sa anode kroz spoljašnje kolo putuju prema katodi. Na katodi elektroni, vodonikovi protoni i kiseonik stvaraju vodu.
99
Da bi goriva ćelija ovog tipa radila, membrana mora biti propusna za protone ali nepropusna za elektrone i teže gasove. Stepen korisnog dejstva ćelija je od 40 do 50 %.
Gorive ćelije sa čvrstim oksidima kao elektrolitom (SOFC) Kao elektrolit koriste čvrste okside, obično mešavinu cirkonijum oksida i kalcijum oksida, stabilizovanog nekim lantanidom, npr. itrijumom, i ima formu nekeramičkog materijala. Elektrolit je sa obe strane zatvoren elektrodama od posebnog poroznog materijala. Anoda je od nikl cirkonijum metalokeramičkog materijala, a katoda od magnezijuma dopiranog lantan manganatom. Na visokim radnim temperaturama negativno naelektrisani joni kiseonika kreću se kroz kristalnu rešetku. Kada gorivo sa vodonikom prođe kroz anodu, lavina naelektrisanih jona kiseonika krene kroz elektrolit i oksiduje gorivo. Kiseonik iz vazduha se dovodi na katodu. Elektroni nastali na anodi kreću se kroz spoljašnje električno kolo ka katodi. Ovaj tip ćelija može dati napon od 0.8 do 1.0 V na temperatuama do 1000 C i pritisku 1 bar. Koeficijent korisnog dejstva ovakve ćelije je oko 45 %, a povećanjem radne temperature može dostići do 60 %.
Smernice u razvoju gorivih ćelija
U razvoju novih tipova gorivih ćelija usmerena je pažnja na povećanje specifične snage, gustine struje, radnog napona, prevazilaženje nedostataka uočenih kod postojećih sistema, kao što su niska tolerantnost prema ugljen dioksidu, ugljen monoksidu, jedinjenjima sumpora, eliminisanja skupih materijala koji se koriste kao katalizatori u hemijskim reakcijama i uvođenje novih konstrukcionih materijala otpornih na koroziju. Kao gorivo, danas je u upotrebi i biogas, a komercijalna goriva ćelija koja koristi biogas koji nastaje preradom otpadnih voda instalirana je u Kaliforniji još 1992. godine, dok je danas upotreba ovakvih gorivih ćelija rasprostanjena u razvijenim zemljama i to uglavnom u postrojenjima za preradu otpada. Današnja istraživanja su usmerena i na primenu gorivih ćelija u oblasti transporta. Goriva ćelija nalazi mesto kao ekološki bezbedan energetski izvor tako da se primenjuje kod skutera, automobila, brodova, podmornica i bespilotnih letelica.
100
9. OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE
9.1. Konvencionalni izvori
Obnovljivi konvencionalni oblik energije je pre svega hidroenergija. Međutim, svakodnevno smo svedoci promene pejzaža postavljanjem novih vetroparkova, pa možemo smatrati da je i energija vetra vrlo bliska konvencionalnom obliku.
9.1.1 Hidroenergija Hidroenergija je jedna od posledica Sunčeve aktivnosti. Naime, energija Sunca koja dopire do Zemljine površine uzrokuje isparavanje velikih vodenih površina na Zemlji ali i vode sa tla i biljaka. Isparenja se u obliku vodene pare podižu do visine optimalne za formiranje oblaka. S obzirom da se kišni oblaci formiraju uglavnom na visini od oko 3 km, to znači da je potencijalna energija padavina oko 4000 GWh, u odnosu na nivo mora. Reč je dakle o značajnom izvoru energije ako se ima na umu da je današnja svetska proizvodnja električne energije oko 15 000 TWh. Ipak, samo mali deo potencijalne energije vode može biti iskorišćen s obzirom da je neophodna i određena koncentracija vode koja se ostvaruje u vodotocima. Naime, od ukupnih padavina koje dospeju na tlo samo mali deo završi u vodotocima, deo upije tlo, a deo biljke. Za svaku tačku vodotoka (profil vodotoka) moguće je na osnovu topografije zemljišta odrediti površinu ili tzv. padavinsko područje sa kojeg voda pristiže u vodotok. Odnos količine vode, koja se tokom godine pojavljuje u vodotoku i količine padavina na padavinskom području (na posmatranom profilu) naziva se faktor oticanja. On zavisi od klime, topografskih i geoloških uticaja. Opseg mu je širok i to od 0.25 do 0.95. Protok, odnosno zapremina vode koja protiče vodotokom u jedinici vremena (m3/s) nije konstantna veličina, već zavisi od padavina, topljenja snega i količine podzemnih voda koje dotiču do vodotoka. Može se računati da je protok u toku 24 h
konstantan (srednji dnevni protok). Aritmetička sredina dnevnih protoka u jednoj godini je srednji godišnji protok, a u nizu godina (25-40 god.) srednji višegodišnji protok.
Q(h)
H
dQ
Qu
Qi
Hi dH Hu
Sl. 9.1. Zavisnost protoka od nadmorske visine
Idući od izvora ka ušću prosečni višegodišnji dotok sve više raste jer se povećavaju padavinska područja pa su količine vode od padavina koje završavaju u vodotoku sve veće. Takođe, od izvora ka ušću kota nivoa površine vode postaje niža. Svakom profilu vodotoka odgovara određena kota H (visina iznad površine vode izražena u m) i određeni srednji višegodišnji protok Q (m3/s) pa se
101
vodotok može predstaviti Q-H dijagramom (slika 9.1).
Eksploatacija hidroenergije zasniva se na korišćenju razlike potencijalne energije vode na dve kote. Ako se voda mase mΔ spusti idući od izvora ka ušću za dH , promeni joj se potencijalna energija za mgdHdEp Δ= . Ukupna promena potencijalne energije od izvora do ušća iznosi
=Δ pE ∫∫ Δρ=u
i
u
i
H
H
H
Hp QdhtgdE
gde je ρ gustina vode (1000 kg/m3), g ubrzanje Zemljine teže (9.81m/s2) pa je snaga vodotoka
∫ρ=ΔΔ
=uH
H
p QdHgt
EP .
i
Ako se izvrši integracija između kota izvora (Hi) i ušća (Hu) dobija se snaga vodotoka:
∫=uH
iH
QdHP 81.9 .
Naravno, pretpostavljeno je da je iskorišćena sva voda. Upraksi pri transformaciji potencijalne energije vode u električnu ima gubitaka.
Osnovni fizički principi transformacije energije vode u električnu su jednostavni ali je tehnički hidroelektrana vrlo složen sistem. Hidroelektrane su energetska postrojenja u kojima se potencijalna energija vode pretvara najpre u mehaničku preko hidrauličnih turbina, a potom u električnu energiju pomoću generatora. Najčešće se voda akumulira u veštačkom jezeru i pod pritiskom izazvanim branom pušta kroz rešetku u tunel koji se završava turbinom. Turbina je povezana sa rotorom generatora koji se nalazi u magnetnom polju statora. Iskorišćena voda se na kraju postepeno izbacuje u reku. Kod elektrana male snage ili vodotoka čiji se protok tokom godine slabo menja, moguće je i direktno korišćenje proticanja vode bez prethodnog akumuliranja. Po svojoj prirodi hidroelektrane se mogu klasifikovati kao konvencionalne i reverzibilne.
Konvencionalne hidroelektrane imaju uvek smer kretanja vode od akumulacije ka turbini, tako da ih karakteriše samo turbinski pogon. Zavisno od smeštaja mašinske hale one mogu biti pribranske i derivacione. Ako je postrojenje (mašinska hala) smešteno neposredno u podnožju brane koja je omogućila koncentraciju pada, možemo upotrebiti sav dotok koji dolazi do elektrane. To je tzv. pribranski tip, (slika 9.2a). Kod većih padova grade se derivacioni tipovi kod kojih se voda kanalima ili cevima vodi do mašinske hale kao na slici (9.2.b). Ovde ostaje neiskorišćeni dotok između brane i postrojenja pa postoji značajna razlika između tehnički iskoristive i ukupne energije vodotoka.
102
Brana Dovodni tunelVodna komora
Odvod
Cevovod
Mašinska sala
Brana
Mašinska sala
a) b) a) b) Sl. 9.2. Pribranska i derivaciona hidroelektrana
Reverzibilne hidroelektrane okarakterisane su postojanjem gornjeg i donjeg akumulacionog bazena i pumpnog turbinskog postrojenja (slika 9.3). U periodima malih opterećenja voda iz donjeg bazena se pumpa u gornji bazen (pumpni pogon), da bi se u periodu velikih opterećenja voda iz gornjeg bazena propuštala kroz turbine u cilju proizvodnje električne energije, kao u konvencionalnim hidroelektranima (turbinski pogon).
Reverzibilne hidroelektrane okarakterisane su postojanjem gornjeg i donjeg akumulacionog bazena i pumpnog turbinskog postrojenja (slika 9.3). U periodima malih opterećenja voda iz donjeg bazena se pumpa u gornji bazen (pumpni pogon), da bi se u periodu velikih opterećenja voda iz gornjeg bazena propuštala kroz turbine u cilju proizvodnje električne energije, kao u konvencionalnim hidroelektranima (turbinski pogon).
Električnamreža
Gornji akumulacioni bazen Generator-
motor
Pumpa
Donjiakumulacionibazen
Smerovi kretanja vode i elektri :čne energije
Pumpni pogon
Turbinski pogon
Sl. 9.3. Reverzibilna hidroelektrana Proizvodnja električne energije zavisi od potencijalne energije akumulirane vode i koeficijenta korisnog dejstva njene transformacije u električnu energiju. Snaga elektrane zavisi kako od količine vode, tako i od njenog pritiska koji je posledica razlike nivoa površine akumulacionog jezera i nivoa na kome se nalazi agregat. Veći pritisak dozvoljava manju potrošnju vode za istu proizvedenu snagu, odnosno snižava cenu postrojenja jer zahteva manje razmere turbine. U svetu su čuvene po visokom pritisku Huverova brana u SAD i Asuanska u Egiptu. Huverova brana nalazi se na reci Kolorado i visoka je 221.4 m i dugačka 379 m. Jezero nastalo podizanjem brane ima srednju
103
zapreminu 35.2 km3. Protok brane je 11 000 m3/s. Pad vode od jezera do turbina je 180 m, a godišnja proizvodnja elektrane je oko 4200 GWh. Asuanska brana ima dužinu 3830 m i visinu 111 m. Elektrana ima instalirani kapacitet od 2.1 GW elektične energije. Hidroenergija zadovoljava svega oko 2 % ukupnih potreba za energijom. Imajući u vidu da su razvijene zemlje uglavnom iskoristile raspoložive hidropotencijale, procenjuje se da je danas svega oko 25 % ukupog potencijala još moguće iskoristiti. Mnogi od njih se nalaze u ekonomski slabo razvijenim delovima sveta.
9.1.2. Energija vetra (Eolska energija)
Zbog sve intenzivnije eksploatacije energije vetra, pri čemu fizički procesi imaju glavnu ulogu, razmotićemo detaljnije ovu temu.
Vetar nastaje zbog različitog pritiska vazduha iznad površine Zemlje, kao posledice neravnomernog zagrevanja. Površina Zemlje različito apsorbuje Sunčevo zračenje. Najveća apsorpcija je na ekvatoru a najmanja na polovima. Zagrejani vazduh se podiže i kreće ka područjima sa hladnijim vazduhom, odnosno ka severu ili jugu. Na kretanje vazdušnih masa svakako utiče i rotacija Zemlje, i to na ekvatoru brzinom 600 km/h a na polovima nultom brzinom. Trenje na površini uzrokuje da vetar više skreće ka područjima nižeg pritiska. Intenzitet sile trenja opada sa povećanjem rastojanja od tla. Kinetička energija vetra korišćena je odavno za pogon brodova i u vetrenjačama za mlevenje žita ili pumpanje vode na visinu. Danas se vetrenjače upotrebljavaju za proizvodnju mehaničke i električne energije. Vetroturbine su uređaji za konverziju kinetičke energije vetra u energiju rotacionog kretanja osovine, koja se pomoću generatora konvertuje u električnu energiju.
Sv
Sl. 9.4. Protok vazduha kroz površinu diska rotora Pretpostavimo da je S površina diska rotora. Maseni protok, dtdm / , vazduha gustine ρ kroz datu površinu diska S, (slika 9.4), moguće je odrediti koristeći jednačinu kontinuiteta. Dakle, uz pretpostavku da je brzina vetra v konstantna, sledi da je
Svdtdm
ρ= . (9.1)
Snaga toka vazduha, odnosno njegova kinetička energija po jedinici vremena biće:
104
32
21
21 Svv
dtdmP ρ== , (9.2)
pa je snaga po jedinici površine, P/ S (gustina snage)
3
21 v
SP
ρ= . (9.3)
Iz prethodnih jednačina može se zaključiti da je gustina snage vetra proporcionalna trećem stepenu njegove brzine i gustini vazduha koja na nivou mora i temperaturi od 18 °C iznosi 1.225 kg/m3. Pod normalnim uslovima (temperaturi vazduha od 18 °C i pritisku 1 atm), i brzini vetra od 10 m/s, gustina snage vetra je približno 610 W/m2 . Dakle, red veličine je isti kao i gustine snage solarne energije. Vetroturbine su u uređaji za konverziju kinetičke energije vetra u kinetičku energiju rotacije osovine. Za određivanje snage dobijene idealnom vetroturbinom može se koristiti sledeći pojednostavljeni model. Posmatrajmo četiri poprečna preseka u strujnoj cev kroz koju struji vazduh u jednom pravcu, slika (9.5). Pokretni disk izneđu preseka 2 i 3, koji zaustavlja struju vazduha kroz cev, predstavlja rotor turbine. Uvedimo sledeće pretpostavke: 1. fluid je homogen, nestišljiv i ravnomerno struji kroz cev, 2. trenje u cevi je zanemarljivo, 3. broj lopatica rotora nije bitan, 4. fluid deluje ravnomernim potiskujući disk, odnosno površinu rotora, 5. statički pritisak ispred i iza rotora jednak je pritisku u mirnom fluidu.
v2v v3v1 v4
1 2 3 4
Sl. 9.5. Strujanje vazduha kroz strujnu cev Primenom zakona održanja impulsa na posmatranu zapreminu fluida moguće je odrediti rezultantnu silu na datu zapreminu. Ona je po intenzitetu jednaka sili kojom vetar deluje na vetroturbinu, F, ali je suprotnog smera, odnosno
4411 )()( SvvSvvF ρ−ρ= , (9.4)
105
gde je v brzina pri čemu indeks odgovara poprečnom preseku označenom na slici. Za ravnomeran protok važi da je
dtdmSvSv =ρ=ρ 41 )()( , (9.5)
Dakle,
)( 41 vvdtdmF −= . (9.6)
Sila F je pozitivna, što znači da je brzina v4 iza rotora manja po intenzitetu od brzine slobodnog strujanja v1. S obzirom da se ni sa jedne strane rotora ne vrši rad može se primeniti Bernulijeva jednačina. U cevi ispred diska je
222
211 2
121 vpvp ρ+=ρ+ , (9.7)
a iza diska 2
442
33 21
21 pvp +=ρ+ vρ (9.8)
uz aproksimaciju da su pritisci daleko od diska jednaki (p1 = p4) i da brzina kroz disk ostaje nepromenjena (v 2 = v 3). Sila potiska na disk se takođe može izraziti kao rezultanta sila pritisaka koje deluju sa obe strane pokretnog diska površine S 2, odnosno:
)( 322 ppSF −= . (9.9)
Iz prethodnih jednačina sledi
)(21 2
42
12 vvSF −ρ= . (9.10)
Korišćenjem jednostavne matematike i podsećanjem da je ρS2v2 maseni protok,
dobićemo da je
241
2
vvv += . (9.11)
Dakle, polazeći od ovog pojednostavljenog gledišta dolazi se do toga da je brzina vetra na površini rotora jednaka aritmetičkoj srednjoj vrednosti brzina vetra koji ulazi i ilazi iz cevi. Ako definišemo relativnu promenu brzine vetra kao
106
1
21
vvva −
= (9.12)
onda je )1(12 avv −= i )21(14v av −= . (9.13)
Veličina v1a predstavlja indukovanu brzinu na rotoru, tako da brzina vetra na rotoru predstavlja kombinaciju brzine slobodnog strujanja i indukovane brzine vetra. Ako se faktor a povećava sve više od nulte vrednosti, brzina iza rotora se sve više smanjuje. Ako je a = 1/2, brzina vetra iza rotora opada na nulu i ovaj model više nije primenljiv. Snaga rotora Pr jednaka je
))((21)(
21
41412222
42
12r vvvvvSvvvSP −+ρ=−ρ= , (9.14)
, odnosno
23r )1(4
21 aaSvP −ρ= , (9.15)
gde je površina kontrolne zapremine na rotoru S2, zamenjena površinom rotora S, a brzina slobodnog strujanja vetra v 1 sa v. Karakteristike rotora vetroturbine se obično izražavaju koeficijentom snage Cp:
Sv
PCp3
r
21ρ
= . (9.16)
Ovaj bezdimenzioni koeficijent predstavlja odnos snage rotora i snage vetra, odnosno deo snage koji je rotor ″izvukao″ iz vetra. Koristeći prethodne jednačine sledi da je:
2)1(4 aaCp −= . (9.17)
Njegova maksimalna vrednost određuje se iz prvog izvoda koeficijena snage po a i izjednačavanjem sa nulom. Maksimalna vrednost koeficijenta snage savremenih turbina je oko 0.5. Slično prethodnom razmatranju moguće je odrediti i tzv. koeficijent potiskivanja CF. S obzirom da je
107
[ ])1(421 2 aaSvF −ρ= , (9.18)
sledi da je
Sv
FCF2
21ρ
= . (9.19)
Ovaj koeficijent će imati maksimalnu vrednost za a = 1/2. Ukupan koeficijent iskorišćenja turbine, , je odnos izlazne snage i snage vetra. Može se prikazati u funkciji koeficijenta snage C
ηp i mehaničkog (zajedno sa električnim)
i koeficijenta iskrošćenja vetroturbine : mehη
pCSv
Pmeh
3
iz
21 η=ρ
=η (9.20)
gde je Piz izlazna snaga. Prema tome
pCSvP meh3
iz 21
ηρ= . (9.21)
Postoje različite konstrukcije vetroturbina a osnovni cilj je, uz što veći stepen iskorišćenja, stabilan rad u širokom opsegu brzina.
Prema položaju lopatica u odnosi na osu oko koje rotiraju vetroturbine se mogu podeliti na: - vetroturbine sa vertikalnom osom i - vetroturbine sa horizontalnom osom rotacije . Vetroturbine sa vertikalnom osom mogu se usmeravati prema smeru duvanja vetra. Jedina koja je ušla u komercijanu upotrebu je Darijusova vetroturbina, (slika 9.6.a). U opštem slučaju stepen iskorišćenja ovakvih vetroturbina je mali pa se ne koriste za agregate većih snage.
Vetroturbine sa horizontalnom osovinom, (slika 9.6.b), mogu biti postavljene uz ili niz vetar. Turbine niz vetar se orjientišu prema vetru, dok je za pogon turbina uz vetar potreban dodatni pogon. Ipak su efikasnije i više zastupljene. Moderne vetroturbine se grade sa horizontalnom osovinom koja ima pogon za promenu smera prema smeru vetra. Mogu imati različit broj lopatica, ali se kroz praksu pokazalo da za veće snage najveći stepen iskorišćenja imaju turbine sa tri lopatice. Prečnik rotora ovakvih turbina zavisi od snage i obično je u opsegu 30 m za snagu od 300 kW do 115 m za snagu od 5 MW.
108
Sl. 9.6.a. Darijusova turbina Sl. 9.6.b. Turbina sa horizontalnom osovinom Procenjuje se da je ukupna energija vetra na Zemlji oko 1024 J godišnje, ali je za iskorišćenje od ove ogromne količine dostupan samo mali deo. Bitan ograničavajući faktor su dimenzije lopatica koje se iz konstrukcijskih razloga ne mogu proizvoljno povećavati. Prva eksperimentalna elektrana velike snage imala je raspon krila 53 m a masu jednog krila 8 tona. Radila je 4 godine u toku II svetskog rata u SAD, ali, kada se polomila, jedan deo je odleteo preko 200 m a procenjeno je da bi popravka bila toliko skupa da se od nje odustalo. Snaga joj je bila 1.25 MW i to je do danas najveća ostvarena snaga. Istraživanja pokazuju da u oblastima sa čestim jakim vetrom, bez obzira na nestalnost vetra kao energetskog izvora, vetroenergetska postrojenja mogu znatno da doprinesu uštedi ostalih oblika energije. Negativan uticaj vetrenjača na okolinu su estetsko narušavanje pejzaža, proizvodnja buke i elektromagnetnih smetnji, zauzimanje zemljišta kao i sudaranje ptica sa vetrogeneratorima. Prilikom rada vetrogeneratora nema emisije štetnih supstanci, nije potrebna infrastruktura za napajanje energentima i vodom, ali je krajnja cena energije još uvek visoka u poređenju sa cenom energije dobijene iz konvencionalnih izvora. Danska, Švedska, Norveška i Nemačka imaju dominantnu ulogu u razvoju vetroenergetike. Savremena istraživanja pokazuju da do kraja 2014. godine energiha vetra biti zastupljena sa čak 409 GW u svetskoj proizvodnji energije.
9.2. Nekonvencionalni izvori
Mada su zajedničke osobine nekonvencionalnih izvora lokalni značaj, vremenska
nestabilnost i visoka cena dobijene energije, aktuelna energetska situacija u svetu, kao i njihova trajnost nalažu da im se posveti pažnja. Mora i okeani kao izvori energije imaju
109
poseban značaj. Proučavaju se mora i okeani kao izvor toplotne energije, plima i oseka, i talasi kao izvori energije. U grupu nekonvencionalnih spadaju i geotermalni izvori.
9.2.1. Unutrašnja energija mora i okeana
Ukupna zapremina vode u morima i okeanima je reda 109 km 3 tako da oni predstavljaju ogroman prirodni rezervoar toplotne energije koja potiče najvećim delom od Sunca. Ako se relativno topla voda sa morske površine uvede u prostor sniženog pritiska, transformisaće se u paru koja može da pokreće turbine. Ideju za konverziju unutrašnje energije mora u korisni oblik energije (kinetička energija pare) korišćenjem temperaturske razlike površinske i dubinske morske vode izneo još krajem 19. veka francuski inženjer Žak D'arsonval. Ipak, ekesperiment u kome bi radno telo bila voda nije realizovan zbog velikih ulaganja u instalaciju neophodnu za održavanje niskog pritiska. Takođe, preliminarna istraživanja su pokazala da je neophodna minimalna razlika temperatura od 20 °C. Ipak, eksperiment je realizovan sa amonijakom kao radnim telom koji ključa temperaturi 20 °C. Elektrana snage 7 MW izgrađena je na Obali Slonovače gde je temperatura površinske morske vode 31°C, a dubinske 7 °C. Zagrejana voda pretvara amonijak u paru visokog pritiska koja se pušta na turbinu, a zatim kondenzuje hlađenjem dubinskom vodom. Termički koeficijent korisnog dejstva bio je ispod 10%. Snaga elektrane je bila 7 MW. Eksperiment je obustavljen zbog nekonkurentne cene dobijene električne energije.
Iako je procenjeno da bi se iz unutrašnjosti mora i okeana obezbedila energija oko 40 puta veća od današnje proizvodnje ne može se očekivati komercijalna proizvodnja energije. Značajan nedostatak je svakako ograničen broj područja pogodnih za izgradnju elektrana i njihova lokalizacija u ekonomski nerazvijenim oblastima.
9.2.2. Energija plime i oseke
Poijava plime i oseke je posledica gravitacionog delovanja Sunca i Meseca na velike vodene površine na Zemlji (slika 9.7). Uticaj Meseca je zbog mnogo manjeg
rastojanja znatno značajniji mada je njegova masa znatno manja.
Sunce
Mesec
ZemljaPlima
Amplituda i frekvencija plime i oseke su različite na različitim mestima na Zemlji tj. zavise od reljefa obale, a na to treba dodati i uticaj centrifugalne sile prouzrokovane rotacijom Zemlje koji je najizraženiji na ekvatoru. Za razliku od nepredvidljivosti nekih obnovljivih izvora energije, kao što su vetar, talasi i sunčevo zračenje, plima i oseka
imaju ustaljen ritam. Amplitude plime i oseke na Sredozemnom moru su 10 cm, a na Atlantskom, Tihom i Indijskom okeanu 6-8 m.
Sl. 9.7. Uticaj sunca i meseca na vodene
površine na Zemlji
110
Na pojedinim mestima obale u zapadnoj Francuskoj i u jugozapadnom delu Velike Britanije amplitude premašuju 12 m. Na zapadnoevropskoj atlantskoj obali vremenski razmak izmedu dve plime iznosi 12 h i 25 min, a na obalama Indokine nastaje samo jedna plima za 24 h. Energija plime i oseke podrazumeva kinetičku energiju nastalu pomeranjem vode prema turbini i potencijalnu energiju koja potiče od razlike visine nivoa vode usled plime i oseke. Da bi energija plime i oseke mogla biti korišćena neophodno je izgraditi postrojenje na adekvatnoj lokaciji što podrazumeva značajnu amplitudu plime i mogućnost izgradnje akumulacije. Sistemi koji koriste kinetičku energiju vode rade na istom principu kao i vetroturbine.
Sistemi koji koriste potencijalnu energiju vode nisu previše popularni zbog velikih troškova. Počeci korišćenja ipak dosežu u davni 11. vek kada su konstruisane male brane na potocima i levkastim proširenjima ušća reka u koje je voda u periodu plime ulazila.
Princip rada elektrane na plimu i oseku sličan je principu rada klasične
hidroelektrane, odnosno kinetička energija vode pokreće turbinu generatora koji proizvodi električnu energiju. Elektrane na plimu i oseku obično se grade u zalivu sa značajnom plimom i mogućnošću postavljanja brane kojom se radi akumulacije vode zaliv pretava u bazen. Za vreme plime voda ulazi u bazen nakon čega se brana zatvara. U periodu oseke kada nivo vode u akumulaciji ima maksimum a nivo mora opada, potencijalna energija vode može biti konvertovana u električnu energiju. Naime, voda se iz bazena pušta da pada preko turbine sve dok razlika nivoa ne postane neka minimalna pri kojoj turbina još može da radi. Nakon toga proces se obustavlja do sledeće plime. Kako bi se proces optimizovao instaliraju se dvosmerne (reverzibilne) turbine koje omogućavaju proizvodnju električne energije i u nadolaženju vode u periodu plime ali i isticanju u periodu oseke. U opštem slučaju, količina dobijene energije zavisi od amplitude i frekvencije plime, i površine akumulacionog bazena (uskog ulaza). Optimalni režim rada elektrane se zbog toga određuje iz proizvoda protoka i visine nivoa koji ne bi trebalo da je manji od 2 m. Korisna faza rada, tj. vreme tokom kojeg se proizvodi energija iznosi oko 45% od jednog perioda plime i oseke. Ukupna energija plime i oseke na Zemlji je reda 1017 J godišnje. Ipak samo mali deo ove energije se iskoristi zbog prethodno navedenih uslova. Za sada u svetu radi nekoliko elektrana i to na atlantskoj obali Francuske snage 240 MW, elektrana Anapolis u Kanadi snage 20 MW i kod Murmanska u Rusiji snage 800 kW. Postoji i niz novoinstalisanih postrojenja u Kini i Južnoj Koreji što ukazuje na značaj ovog obnovljivog izvora energije. Ustaljenost pojavljivanja plime i oseke omogućava pojednostavljeno planiranje proizvodnje i potrošnje dobijene energije.
111
9.2.3. Energija talasa Talasi predstavljaju izuzetan energetski potencijal. Duvanje vetra po površini vode uzrokuje nastanak talasa koji raspolažu kinetičkom energijom. Količina energije koju vetar predaje vodi, pa prema tome i veličina dobijenog talasa zavise od brzine vetra, vremena njegovog duvanja preko površine vode, odnosno, vremena interakcije sa vodom. Talasi raspolažu kinetičkom energijom i potencijalnom energijom čestica vode (slika 9.8). Kinetička energija kojom raspolaže talas može biti i nekoliko hiljada puta veća od energije vetra. Stoga je teško predvideti njenu veličinu.
Ek
Ep
Sl. 9.8. Kretanje čestica vode kod morskih talasa U opštem slučaju, snaga talasa se definiše kao:
π
ρ=
32
22THgP , (9.22)
izražena u W/m visine talasa. U navedenoj jednačini figurišu sledeće veličine:ρ = 1025 kg/m3 - gustina morske vode, g = 9.81 m/s2 - ubrzanje Zemljine teže, T - period talasa i H - visina talasa.
Procenjena dužina obala svih kontinenata je reda veličine 108 m. Za pretpostavljenu snagu talasa od 10 kW/m, dobija se prosečna godišnja snaga 1 TW, odnosno, godišnja energija od oko 9000 TWh, dakle oko 60% današnje proizvodnje električne energije. Energija talasa na otvorenom moru je mnogo veća u odnosu na energiju mora neposredno uz obalu. Ipak, eksploatacija ovakvog izvora uslovljena je finansijskim faktorom izgradnje elektrane ali i mogućnostima prenosa energije do potrošača.
Prema lokaciji elektrane na talase mogu biti na otvorenom moru i na morskoj obali. Prednosti izgradnje elektrana u neposrednoj blizini obale u odnosu na plutajuće sisteme na otvorenom moru su svakako jednostavniji pristup prilikom izgradnje postrojenja kao i upotreba klasične građevinarske opreme kao i lakše održavanje sistema.
Na ovom principu radi elektrana projekta Limpet (Land Instaled Marine Powerd), snage 500kW uspešno uključena u elektrosistem Škotske. Talasi ulaze u komoru podižući nivo vode. Nadošla voda komprimuje vazduh u komori, a kada voda napušta komori vazduh se dekomprimuje. Kompresija i dekompresija vazduha uzrokuje nalete vazduha
112
koji pokreću turbinu. Smer rotacije turbine, koja proizvodi struju kada talasi ulaze ili napuštaju komoru, je uvek isti brz obzira na smer kretanja vazduha.
Za razliku od ovih, elektrane koje se instaliraju na otvorenom moru imaju bolju iskorišćenost talasnog potencijala. Ipak, njihova pouzdanost je nepredvidljiva s obzirom da se radi o plutajućim objektima. Do sada realizovane plutajuće instalacije su Arhimedova talasna ljuljaška, morska zmija, Mek Kabeova talasna pumpa i druge.
Plutače - imaju snagu od oko 50 kW. Mala snaga se nadoknađuje postavljanjem većeg broja instalacija na manjoj površini. Imaju primenu za napajanje objekata udaljenih od obale kao što su svetionici, uređaji za komunikaciju i sl. Arhimedova talasna ljuljaška (Archimedes Wave Swing AWS) - Sastoji se od cilindrične, vazduhom napunjene komore koja se može pomerati vertikalno u odnosu na usidreni cilindar manjeg prečnika, slika (9.9). Vazduh u 10-20 m širokom gornjem plutajućem cilindru omogućava plutanje instalacije. Kada talas pređe preko plutajućeg dela ljuljaške njena dubina se menja u skladu sa promenom pritiska uzrokujući njeno pomeranje gore-dole. Relativno kretanje usidrenog i plutajućeg dela koristi se za proizvodnju energije. Maksimalna snaga do sada konstruisanog uređaja je 2 MW.
Morska zmija (Pelamis) - sastoji se od četiri međusobno spojena plutajuća cilindra dužine 30 m i prečnika 3.5 m, slika (9.10). Plutajuće strukture su orijentisane u pravcu paralelnom prostiranju talasa. Razlika u visinama talasa po dužini uređaja uzrokuje savijanje na spojevima. Radi tako da pumpa pritiska vazduh u rezervoar koji zatim pokreće vazdušnu turbinu i generator. Na taj način je postignuta ujednačena rotacija generatora manje zavisna od stohastičke prirode talsa. Snaga uređaja je 750 kW.
Sl. 9.9. Princip rada Arhimedove talasne
ljuljaške
Sl. 9.10. Princip rada pelamisa
Mek Kabeova talasna pumpa, slika (9.11), - originalno je dizajnirana za desalinizaciju morske vode koristeći osmozu. To su uređaji koji izvlače energiju iz talasa
113
pomoću rotacije pontona oko nosača preko linearnih hidrauličnih pumpi. Konstrukcije mogu biti realizovane kao zatvoreni sistemi koji koriste ulje ili kao otvoreni koji koriste morsku vodu.
Sl. 9.11. Princip rada Mek Kabeove talasne pumpe Mek Kabeova talasna pumpa ima tri međusobno spojena pontona postavljena paralelno pravcu prostiranja talasa. Središnji ponton je pričvršćen za amortizer, što mu obezbeđuje da relativno miruje u odnosu na ostala dva. Hidraulične pumpe pričvršćene između središnjeg i susednih pontona se aktiviraju kada talasi primoraju pontone sa krajeva da se kreću gore - dole. Hidraulični fluid pod pritiskom može da pokrene generator. Treba naglasiti da mora i okeani raspolažu izuzetno velikom energijom te su istraživanja usmerena u realizaciji eksploatacije veoma intenzivna.
9.2.4. Geotermalna energija Geotermalna energija predstavlja ukupnu unutrašnju energiju Zemlje koja se procenjuje na oko 1030J. Ona je rezultat samog nastanka planete i mada se planeta postepeno hladi, deo energije se kontinuirano obnavlja raspadanjem radioaktivnih elemenata u unutrašnjosti Zemlje. Ova energija se prenosi vodom ili parom ka Zemljinoj površini sa gradijentom temperature od 10 °C do 30 °C po kilometru, što zavisi od strukture Zemljine kore. Spoljašnja čvrsta kora Zemlje je dubine 5 do 50 km. Sastoji se uglavnom od čvrstih stena. Ispod kore nalazi se omotač od delimično rastoljenih stena temperature 650 do 1250 °C. U samom jezgru Zemlje procenjuje se da bi temperatura mogla biti između 4000 i 7000 °C. Prenos toplote ka površini predstavlja uzrok pomeranja tektonskih ploča. Ukoliko na spojevima ploča dođe do propuštanja magme, ona se može ohladiti i stvoriti novi sloj Zemljine kore, vulkan ili se može zadržati ispod površine u formi bazena. Područja iznad ovakvih bazena odlikuju se velikim temperaturskim gradijentom i pogodna su za eksploataciju geotermalne energije.
114
Procenjuje se da je potencijal geotermalne energije čak oko 50 000 puta veći od energije koja se može dobiti ekspoloatacijom nafte i gasa. Osnovni nedostatak ovog izvora je taj što nema mnogo lokacija u svetu koje su pogodna za eksploataciju, zbog toga što se uglavnom radi o spojevima tektonskih ploča sa aktivnim vulkanima i intenzivnim pomeranjima tla. Izvori geotermalne energije se mogu svrstati u četiri osnovne grupe i to izvore: 1. vruće vode, 2. vodene pare, 3. vrele vode na velikim dubinama i 4. energije vrelih i suvih stena. Prva tri tipa predstavljaju hidrogeotermalne izvore a četvrti tip je petrogeotermalni . Voda je u unutrašnjost Zemljine kore dospela kroz vodopropusne slojeve zemlje. Zagreva se u kontaktu sa vrelim stenama i vodom koja se može kretati ka površini sa većih dubina. Voda zarobljena na velikim dubinama, obično ispod nepropusnih stena, izložena je delovanju pritiska koji potiče od mase stena iznad nje. Tako zagrejana voda može prirodnim putem, ako naiđe na bušotinu ili pukotine, da izbije na površinu u obliku izvora tople vode ili pare. Para se može direktno koristiti za pogon parne turbine. Ukoliko je temperatura vode niža, potrebno ju je dodatno zagrejati što je sa ekonomskog aspekta nepovoljno. Za sada su izvori vruće vode jedini komercijalni geotermalni izvori energije. Procenjuje se da je raspoloživa hidrogeotermalna energija reda oko 1022 J do dubina od oko 3 km.
Izvori suve vodene pare su veoma retki ali bi suva vodena para mogla biti direktno korišćena za pogon parnih turbina. Ležišta vode i gasova pod visokim pritiskom nalaze se na dubinama od 3 do 6 km. Temperatura vode je umerena između 90 i 200 °C i sadrži rastvoreni metan. Zahvaljujući vrlo visokim pritiscima bilo bi moguće koristiti mehaničku, toplotnu pa i hemijsku energiju, ali uz današnje tehnologije to se još ne smatra isplativim.
Smatra se da je značajno veći deo energije sadržan u vrućim stenama i da je do dubine od 10 km akumulirano oko 1027 J energije. Ovo je oko 5000 puta više energije od procenjenih zaliha uglja u svetu. Eksploatacija petrogeotermalne energije trebalo bi da se realizuje tako što bi se kroz bušotine u stenama propuštala voda da se zagreje do potrebne temperature.
S obzirom da proces nije tehnički rešen, ostaje u formi eksperimenta. Eksperimentalno postrojenje je instalisano u Kornvolu u Velikoj Britaniji. Kroz bušotinu se u prirodne pukotine u granitnim stenama ubrizgava 22 litra hladne vode u sekundi na dubinu od 2.2 km a sa dubine od 2.6 km izvlači se zagrejana voda. Međutim, usled male toplotne provodljivosti stena, temperatura zagrejane vode je nedovoljna za bilo kakvu praktičnu primenu. Dakle, za efikasnije prenos energije sa stena na medij, odnosno vodu, neophodno je povećati dodirnu površinu vode i stena. Postoje mnogobrojna predložena rešenja, kao na primer povećanje dodirne površine drobljenjem stena serijom
115
hidrodinamičkih udara ili povećanjem hidrostatičkog pritiska. Ovo nisu efikasna rešenja i pretpostavlja se da ukoliko bi naprsla stena došla i kontakt sa hladnom vodom, proces njenog daljeg pucanja ne bi mogao biti kontrolisan. Takodje je kao predloženo rešenje istaknuto rasprskavanje stena podzemnim nuklearnim eksplozijama. Sa aspekta bezbednosti ovakav model nije prihvatljiv jer bi voda u kontaktu sa produktima reakcije mogla biti kontaminirana.
Zanimljivo je istaći da je davne 1904. godine u italijanskom gradići Ladnerelu
isntalisana prva geotermalna elektrana. Para je pokretala parnu turbinu a proizvedena električna energija je napajala pet sijalica. Kasnije je na tom mestu izgrađena elektrana snage 250 kW. Princip rada se zasnivao na upumpavanju hladne vode na vruće granitne stene neposredno ispod tla i izbijanju na površinu vruće pare temperature iznad 200 °C i pod visokim pritiskom. Tako dobijena para pokretala je turbine generatora. Elektrana je potpuno razorena u Drugom svetskom ratu ali je obnovljena i danas prozvodi oko 5000 GWh godišnje. Iako geotermalni izvori spadaju u obnovljive, pritisak pare u ovoj elektrani se smanjio od sredine prošlog veka za oko 30 %.
Ipak, postoje značajni pomaci u tehnologiji i danas postoje tri tipa geotermalnih elektrana koji mogu raditi na nekom od predloženih principa:
1. Princip suve pare (Dry steam) - koristi paru temeprature preko 230 °C direktno za pokretanje turbina. Ovaj princip kao najstariji je ujedno i najjeftiniji. Trenutno se najveća elektrana koja koristi ″Dry steam″ princip nalazi u severnoj Kaliforniji i zove se The Geysers, a proizvodi električnu energiju još od 1960 godine. Količina proizvedene električne energije iz tog postrojenja još uvijek je dovoljna za potrebe grada veličine San Franciska.
2. Fleš princip (Flash steam) – koristi se vruća voda iz geotermalnih rezervoara koja je pod velikim pritiskom i na temperaturama iznad 180 °C. Pumpanjem vode iz tih rezervoara prema elektrani na površini smanjuje se pritisak, pa se vruća voda pretvara u paru i koristi za pokretanje turbine. Voda koja se nije pretvorila u paru vraća se natrag u rezervoar zbog ponovne upotrebe. Većina modernih geotermalnih elektrana koristi ovaj princip rada.
3. Binarni sistem (Binary cycle) – Voda koja se koristi je niže temperature nego kod ostalih sistema. Tom vodom se zagreva neka tečnost koja ima znatno nižu temperaturu ključanja od vode, tako da prelazi u paru koja pokreće turbine generatora. Prednost tog principa je veća efikasnost postupka, a i dostupnost geotermalnih izvora niže temperature je znatno veća. Dodatna prednost je potpuna zatvorenost sistema budući da se upotrebljena voda vraća natrag u rezervoar pa je gubitak toplote smanjen,a gubici vode gotovo da ne postoje.
4. Vruća suva stena (Hot-Dry-Rock) metoda - je savremena metoda dobijanja geotermalne energije, u kojoj se voda pumpa kroz jednu bušotinu u slojeve vrućih stena a kroz drugu bušotinu izlazi vodena para temperature oko 170 °C , koja služi za proizvodnju električne energije. Pri zagrevanju prostorija, energija geotermalne vode se
116
direktno ili preko izmenjivača toplote dovodi do potrošača. Termalna voda s niskom temperaturom i malim sadržajem minerala može se koristiti za navodnjavanje i zagrevanje obradivog poljoprivrednog zemljišta.
Princip rada elektrane će svakako zavisiti od tipa geotermalnog izvora, temperature i kvaliteta vode ili pare kao i dubine ekspoatacije. U svim predloženim rešenjima predviđeno je da se kondenzovana para i ostaci tečnosti vraćaju natrag u bušotinu čime se obezbeđuje trajnost izvora, ali i smanjuje rizik od poremećaja i opasnih nestabilnosti u Zemljinoj kori kao posledice izvlačenja velike količine vode.
117
10. GORIVA U UŽEM SMISLU
Energija se iz goriva dobija njihovim sagorevanjem (sjedinjavanjem sa
kiseonikom) u toku koga se oslobođena hemijska energija prenosi na molekule kao njihova kinetička energija, što se manifestuje povišenjem temperature. Za ekonomičnost procesa sagorevanja važna je temperatura paljenja koja predstavlja najnižu temperatura pri kojoj je oslobađanje toplote u hemijskoj reakciji brže od njenog odvođenja. Najvažnija karakteristika svakog goriva je toplotna moć koja predstavlja količinu toplote koju je moguće iskoristiti u termoenergetskom procesu. Definiše se kao količina toplote koja se oslobodi pri potpunom sagorevanju 1 kg čvrstog ili 1 m3 gasovitog goriva. Merna jedinica je kJ/kg, odnosno kJ/m3.
10.1. Fosilna goriva U fosilna goriva spadaju ugalj (lignit, mrki ugalj, kameni ugalj), nafta, zemni gas, uljani škriljci i bitumenozni pesak. Trenutno, fosilna goriva predstavljaju osnovne izvore energije u savremenoj civilizaciji. Energija se dobija njihovim sagorevanjem. U tabeli 10.1 su date procenjene rezerve različitih fosilnih goriva.
Tabela 10.1. Procenjne rezerve fosilnih goriva
gorivo količina energija po jedinici mase
energija (EJ)
sirova nafta 1.65⋅1011 t 4.2⋅1010 J/t 6930 prirodni gas 1.81⋅1014 m3 3.6⋅107 J/m3 6500
visoko kalorični ugalj 4.90⋅1011 t 3.1⋅1010 J/t 15000 nisko kalorični ugalj 4.30⋅1011 t 1.9⋅1010 J/t 8200
Ukupno 36600
10.1.1. Ugalj
Kao fosilno gorivo, koje se eksploatiše iz zemlje rudarskim metodama, predstavlja veoma važno gorivo i sirovinu za proizvodnju električne energije.
Ugalj čine sedimentne stene organskog porekla mrke boje koje sagorevanjem oslobađaju energiju. On predstavlja izmenjene ostatke praistorijske vegetacije, prvobitno akumulirane u močvarama i tresetištima. Kao posledica tektonskih poremećaja ove akumulacije su potiskivane u unutrašnjost Zemljine kore gde su bile izložene delovanju povišene temperature i pritiska. Ovi procesi doveli su smanjenja procenta vlage i porasta tvrdoće ostataka.
118
U početku se treset, kao ″predak″ uglja, pretvarao u lignit ili mrki ugalj – tipove uglja niske organske ″zrelosti″. Tokom miliona godina, trajno delovanje povišene temperature i pritiska, doveli su do dodatne promene na lignitu, povećavajući njegovu organsku ″zrelost″, i postepeno ga transformisali u tzv. ″sub-bituminozni″ ugalj. Nastavkom ovih procesa, daljim hemijskim i fizičkim promenama, dolazi se do stepena kada ugalj postaje čvršći i zreliji. Tada možemo govoriti o ″bituminoznom″, ili čvrstom (kamenom) uglju. Konačno, u odgovarajućim uslovima, nastavlja se progresivno sazrevanje, dovodeći tako ugalj u formu poznatu kao antracit. U tabeli 10.2su date opšte karakteristike određenih vrsta uglja a radi upoređenja navedene su i iste osobine drveta.
Tabela 10.2. Karakretistike uglja.
Gustina (t/m3)
Toplotna moć
(MJ/kg)
Vlaga (%)
Isparljivi sastojci (u % suve materije)
Sadržaj ugljenika (u % suve materije)
Drvo 0.2 – 1.3 14.7 SUVO 80 50
Treset 1 6.3 – 8.4 60 - 90 65 55 - 65 Lignit 1.2 7.5-12.6 30 - 60 50 - 60 65 - 70
Mrki ugalj 1.25 16.7 – 29.3 10 - 30 45 - 50 70 - 80
Kameni ugalj 1.3 – 1.35 29.3 – 35.6 3 - 10 7 - 45 80 - 93
Antracit 1.4 – 1.6 35.6 – 37.7 1 - 2 4 - 7 93 - 98
Dva velika pojasa nalazišta kamenog uglja obavijaju Zemlju. Jedno je na severnoj polulopti i polazi od severnoameričkog kontinenta, preko srednjeg dela Evrope i bivšeg SSSR-a do Kine. Drugi pojas polazi od južnog Brazila, preko južne Afrike do istočne Australije. Pripadaju mu i nalazišta u Indiji. Najveće svetske rezerve mrkog uglja i lignita nalaze se između 35. i 70. stepena geografske širine na Severnoj i Južnoj polulopti. Svetske rezerve kamenog i mrkog uglja iznose su reda 109 t. Najveće rezerve nalaze se u SAD, Rusiji, Kazahstanu, Australiji, Kini i Indiji (oko 73% svetskih rezervi). Svetske rezerve lignita takođe iznose oko 109 t, a najveće rezerve se nalaze u SAD, Nemačkoj, Rusiji, Australiji, Kini (oko 80% svetskih rezervi lignita).
Procenjuje se da svetske zalihe uglja iznose do 1013 tona, od čega je oko 1012 tona potvrđeno, ali je ekonomski isplativa eksploatacija približno samo jedne trećine.
10.1.2. Nafta i gas Nafta i gas su nastali raspadanjem ostataka (belančevina, masti, ugljenih hidrata) biljnog i životinjskog porekla. Smatra se da su se ti ostaci najpre taložili na dnu okeana, a zatim ih je tokom perioda od nekoliko stotina miliona godina zatrpavao pesak i mulj što je stvorilo ekstremne uslove pritiska i temperature i dalju transformaciju odpadaka u
119
naftu i gas. Ovako stvoreni, nafta i gas su se cedili kroz propustljive slojeve Zemljine kore i skladištili se u prostorima okruženim nepropustljivim materijalom. Hemijski sastav nafte je veoma složen i u njen sastav ulazi veliki broj različitih elemenata. Ipak, najzastupljeniji je ugljenik (83-88 %), zatim vodonik, kiesonik, sumpor i azot kojih ima malo. Hemijski elementi se u nafti uglavnom nalaze u obliku veoma složenih jedinjenja, pri čemu jedinjenja ugljenika sa vodonikom čine osnovnu komponentu nafte i gasa. Dakle, po hemijskom sastavu, nafta i gas su smeše velikog broja, i do 300, različitih ugljovodonika. Najveći broj je iz grupe parafinskog (matanovog) niza ili naftenskog niza. Tri osnovne komponente koje ulaze u sastav nafte su alkani, cikloalkani i aromatični ugljovodonici, koji mogu biti u čvrstom, tečnom ili gasovitom agregatnom stanju. Gasoviti izbijaju iz zemlje i predstavljaju prirodni gas. U zavisnosti od sastava nafta može biti mrko žuta, zelena ili crna viskozna tečnost gustine manje od vode.
Prirodni gas je smeša gasova u kojoj najveću ulogu imaju ugljovodonici. Osim gasovitog metana (CH4) pojavljuju se i etan (C2H6), propan (C3H8), butan (C4H10), kao i teži ugljovodonici, koji su pri atmosferskom pritisku u tečnom stanju, dok je za propan i butan potreban nešto veći pritisak. Samo je metan u gasovitom stanju i pri velikim pritiscima. Prirodni gas se karakretiše kao suvi ili vlažni. Vlažni prirodni gas je onaj sa više od 60 g/m3 kondenzovanih ugljovodonika. Prirodni gas nastaje zajedno sa naftom na već opisani način ili se pojavljuje kao metan za vreme stvaranja uglja. Uz ugljovodonike u prirodnom gasu mogu se pojaviti i drugi gasovi, kao azot i ugljen dioksid, helijum i sumpor dioksid, koji smanjuju toplotnu moć prirodnog gasa.
Istraživanja pokazuju da najviše nafte ima na najosunčanijim pojasevima Zemlje. Što je rezervoar nafte dublje u zemlji, pritisak u nalazištu je veći u odnosu na atmosferski, tako da pri bušenju može doći do erupcije nafte i gasa. Kada pritisak opadne, povećava se upumpavanjem vode ili gasa. Dubina slojeva nafte može biti različita od nekoliko metara do više kilometara. Do sada, najveća dubina bušotine iznosi blizu 9 km (Oklahoma, SAD). Nafta se ne koristi u sirovom stanju već se prerađuje frakcionom destilacijom u rafinerijama. Pri tome se dobijaju sledeći derivati:
1. Rafinerijski gasovi - najlakši gasni produkti prerade nafte, a sastoje se uglavnom od metana (CH4), etena (C2H4), etana (C2H6) i vodonika (H2). Deo rafinerijskog gasa se troši u samim rafinerijama kao gorivo, a deo služi kao gorivo u industriji ili kao sirovina u hemijskoj industriji. Toplotna im je moć oko 54.4 MJ/m3.
2. Tečni gasovi - sastoje se od ugljovodonika sa tri ili četri atoma ugljenika (propan i butan). Oni prelaze u tečnost pri nešto većem pritisku (7-17 bara) pri temperaturi okoline. Mogu se upotrebiti u hemijskoj industriji ili domaćinstvima uskladišteni u čeličnim bocama napunjenih smešom butan-propan u tečnom stanju. Toplotna moć ove smeše je 44.4 MJ/kg.
3. Tehnički ili specijalni benzini - lagani primarni naftni derivati uskih granica destilacije, a služe kao medicinski benzin, benzin za otapanje gume, za rudarske svetiljke i sl. Ne upotrebljavaju se u energetske svrhe.
120
4. Motorni benzin - jedan od glavnih produkata prerade sirove nafte. Izdvaja se između 35-200 °C. Sadrži preko 150 ugljovodonika. Osnovnom motornom benzinu dodaju se razni aditivi da bi se dobio proizvod potrebnih osobina. Za poboljšanje antidetonatorskih svojstava dodaje se tetraetil-olovo, a za sprečavanje smrzavanja u rasplinjaču motora izopropil-alkohol. Motorni benzin služi za pogon motora sa unutrašnjim sagorevanjem. Toplotna moć im je oko 45 MJ/kg
Najvažnija karakteristika benzina je oktanski broj. On daje podatke o sagorevanju benzina u motoru, odnosno o pojavi detonacije u motoru. Da bi motor sa unutrašnjim sagorevanjem normalno radio potrebno je da smeša vazduha i goriva u cilindru normalno sagoreva (pri određenom stepenu kompresije). U protivnom, dolazi do samozapaljivanja smeše pri čemu nastaje detonacija, tj. prerana eksplozija smeše goriva i vazduha, što za posledicu ima smanjenje stepena korisnog dejstva, kao i preterano zagrevanje i nepravilan rad motora.
Oktanski broj se određuje upoređivanjem detonatorskih osobina dva čista ugljovodonika: normalnog heptana i izooktana. Normalni heptan lako detonira pa je njegov oktanski broj 0, dok izooktan detonira teško pa je njegov oktanski broj 100. Zapreminski procenat izooktana u smeši sa normalnim heptanom odgovara oktanskom broju. Postoji referentno gorivo, pa upoređivanjem inteziteta detonacije (merenjem) ispitivanog i referentnog goriva utvrđuje oktanski broj ispitivanog uzorka. Isparljivost benzina takođe je jedna od važnih osobina koja je bitna prilikom startovanja motora i zagrevanja. Zato se motorni benzini proizvode sa određenim karakteristikama isparljivosti koji se menjaju zavisno od doba godine, temperaturskih prilika i nadmorske visine.
5. Petrolej - grupi naftnih derivata koja se naziva petrolej pripada petrolej za rasvetu, petrolej za motore sa unutrašnjim sagorevanjem, petrolej za svetionike i sl. Granice destilacije su mu od 150 do 300 °C. Danas je upotreba petroleja za rasvetu ograničena na zabačena seoska područja, a nekada je to bio glavni produkt prerade nafte.
6. Kerozin - gorivo za mlazne motore koje je po sastavu smeša benzina i petroleja. Granice destilacije su mu između 50 i 300 °C. Jedna od njegovih važnih karakteristika je i temperatura pri kojoj kerozin prelazi u čvrsto stanje zbog niskih temperatura na visinima na kojim lete avioni. Za vojne avione ta temperatura iznosi do -60 °C.
7. Dizel gorivo - izdvaja se između 170 i 360 °C, a služi za pogon dizel motora. Kvalitet goriva određen je cetanskim brojem (kvalitet zapaljenja). Minimalna vrednost mu je između 25 i 45 a toplotna moć oko 45 MJ/kg.
8. Mazut i ulja za loženje - jedan od glavnih produkata prerade sirove nafte. Toplotna moć mu je oko 40 MJ/kg.
9. Neenergetska ulja - ulja za podmazivanje ležajeva, motorna ulja, specijalna ulja (npr. ulja za transformatore).
121
10. Čvrsti produkti prerade sirove nafte su parafin i bitumen. Parafin se upotrebljava za izradu šibica i za izolaciju od vlage, dok se bitumen upotrebljava najčešće u izgradnji puteva.
Prirodni gas se može koristiti direktno kao gorivo, ili se razdvajaju komponente prema potrebi. Toplotna moć zavisi od učešća pojedinih komponenti i u proseku iznosi oko 50 MJ/kg. Utvrđene iskoristive zalihe nafte u svetu iznose oko 1011 tona a ukupne se procenjuju na 3 - 4 puta više od toga. Pri današnjem tempu eksploatacije ove zalihe će se iscrpsti za tridesetak godina. Prirodnog gasa ima približno 1013 m 3 .
10.1.3. Uljani škriljci i bitumenozni pesak
Po hemijskom sastavu su slični nafti ali su u čvrstom stanju. Nalaze se neposredno pod površinom zemlje u područjima gde u nekada bila plitka mora. Procenjeno da su njihove zalihe veće od sadašnjih zaliha nafte. Uljani škriljci sadrže supstancu koja se naziva kerogen - naftu u čvrstom stanju. Najrasprostranjeniji postupak izdvajanja sirove nafte iz škriljaca je piroliza. Uljani škriljci se zagrevaju bez prisustva kiseonika sve dok nafta i sagorljivi gas ne pređu u gasovito stanje. Nakon toga se vrši kondenzacija i dobijena sirova nafta iz gasovite prelazi u tečnu fazu. Da bi se postupak realizovao škriljci se drobe i zagrevaju na temperaturama oko 500 °C. Jedna tona rude daje oko 150 kg kerogena u obliku pare. Pošto škriljci sadrže visok procenat azotovih i sumpornih jedinjenja, proces izdvajanja zahteva velike količine vode. Škriljci se mogu i direktno sagorevati ali kao slabo kalorično gorivo, sa visokom količinom otpada. Estonija je jedna od malobrojnih zemalja sa nalazištima koja na ovaj način eksploatiše škriljce. Najveća nalazišta uljanih škriljaca su u SAD i Brazilu, a najviše eksploatisana nalazišta u Estoniji, Kini i Brazilu. Bitumenozni pesak čine ugljovodonici u čvrstom stanju. Koristi se za dobijanje crnog bitumena. Ruda koja se prerađuje predstavlja tvrdu masu koja je nastala slepljivanjem zrna peska pomešanog sa vrlo gustim bitumenom. Bitumen, koji se zagrevanjem rude do 80 °C izdvoji iz peska, prerađuje se hemijski a zatim rafinerijski u sintetički benzin. S obzirom na ekonomski nepovoljne procese ekspolatacije i prerade, kao i opasnosti od zagađenja, ovaj energetski resurs je još manje iskorišćen od uljanih škriljaca. Prema predviđanjima ne očekuje se njegova skora intenzivna eksploatacija.
122
10.2. Vodonik
Vodonik je jedan od najzastupljenijih elemenata na Zemlji. Uglavnom se nalazi u vezanom obliku u različitim hemijskim jedinjenjima. Prvi je element u Periodnom sistemu, atomske mase 1.008⋅10−3 kg/mol. Najlakši je element u prirodi, čak 14 puta lakši od vazduha. Na sobnoj temperaturi i pri atmosferskom pritisku nalazi se gasovitom
stanju, bez boje, mirisa i ukusa, izuzetno zapaljiv. U Zemljinoj atmosferi u čistom stanju pri normalnim uslovima ga ima vrlo malo - između 0.0001 i 0.0002%..
H/C
toplotna moć
Za paljenje vodonika potrebno je 15 puta manje energije nego kod naftnih derivata, a plamen se prenosi 8 puta brže. Pri tome se oslobađa energija reda 108 J po kilogramu goriva, što je skoro tri puta više nego kod benzina. Slika (10.1) ilustruje kako sa porastom odnosa
CH / atoma u hemijskom sastavu fosilnih goriva raste toplotna moć. Očigledno je da toplotna moć čistog vodonika predstavlja graničnu vrednost.
Sl. 10.1. Zavisnost toplotne moći od odnosa H C/ atoma
Toplotna provodljivost je sedam puta veća nego kod vazduha, a kroz čvrste stene prolazi pet puta brže od vazduha. Mogućnost njegovog isticanja kroz spojeve i pukotine stena, zatim posuda i cevi mnogo je veća nego bilo kog drugog gasa, ali se u slučaju isticanja znatno brže raspršuje u okolinu čime zapaljiva smesa nastaje samo u neposrednoj blizini mesta isticanja. U vazduhu vodonik gori bledoplavim, gotovo nevidljivim plamenom temperature oko 2045 °C (u čistom kiseoniku gotovo 2800 °C) pri čemu ne nastaje čađ, a zračenje plamena je oko 10 puta manje nego kod drugih gorivih gasova. Sagorevanjem vodonika nastaje samo vodena para koja nije štetna po okolinu. Kritična temperatura mu je -240 °C, a kritični pritisak 1.29 MPa. Pod ovim uslovima vodonik prelazi u tečno stanje. Tečni vodonik je proziran, bez boje i mirisa, nekorozivan i nereaktivan, a gustina mu iznosi samo 1/40 gustine vode.
Dobijanje vodonika Današnja proizvodnja vodonika je oko 45⋅109 kg, i najviše se koristi u indistriji. Dobija se uglavnom iz fosilnih goriva jer je mehanizam dobijanja dobro razvijen i ekonomski prihvatljiv. U tabeli 10.3 je dat prikaz različitih metoda za dobijanje vodonika, primene tako dobijenog goriva, kao i prednosti i nedostataka predloženih procesa. U procesu reforminga, prirodni gas reaguje sa veoma zagrejanom parom, temperature od 800 do 1700 °C. Katalizator, koji ubrzava reakciju i u njoj se ne troši, je obično metal i pomaže u transformaciji prirodnog gasa u metan. Kada metan reaguje sa vodom dobija se vodonik, ali i nusprodukti kao što su oksidi ugljenika. U nekim procesima ugljen monoksid reaguje ponovo sa parom i u reakciji nastaju vodonik i ugljen
123
dioksid. Iako se prirodni gas smatra ekološki prihvatljivim fosilnim gorivnom, u procesu reforminga parom doprinosi emisiji zagađivača.
Tabela 10.3. Metode dobijanja vodonika
metod proces primena
reforming metana
nikl kao katalizator na temp. 800 – 1700 °C
CH4(g) + H2O (g) → CO (g) + 3H2 (g)
na nižoj temp.
CO(g) + H2O (g) → CO2 (g) + H2 (g)
trenutno glavni izvor vodonika
elektroliza vode struja prolazi kroz vodu 2H2O (t) → 2H2 (g) + O2 (g)
nije u široj upotrebi zbog troškova
gasifikacija uglja
na visokim temp. i pritiscima ugalj + H2O (g) + O2 (g) → H2 (g) + CO + CO2 + CH4
trenutno najzastupljeniji proces masovne proizvodnje vodonika
U procesu elektrolize, u vodu u se u cilju povećanja provodljivosti doda neki elektrolit, na primer i urone dve metalne elektrode, obično od platine, koje se vežu za polove jednosmernog izvora struje. Joni nastali disocijacijom elektrolita se kreću ka suprotno naelektrisanim elektrodama. Pozitivni joni vodonika se na katodi neutrališu i formiraju molekul. Negativni sufatni joni se neutrališu na anodi i u reakciji sa vodom ponovo daju molekul sumporne kiseline uz oslobađanje atoma kiseonika. Dva atoma kiseonika obrazuju molekul. Tako se na obe elektrode izdvajaju mehurići gasova koji potiču iz vode dok se sumporna kiselina ne troši.
42SOH
Procesom gasifikacije uglja dobija se smeša H2 + CO + CO2 + CH4, takozvani ″syngas″ (sintetički ili gradski gas). Sadrži oko 50 % vodonika. Sintetički gas je korišćen u Evropi i Americi još krajem 18. veka. Od procesa navedenih u tabeli 10.3, reforming metana ima najveću efikasnost, između 65 i 75 %. Proces je ekonomičan i tehnološki razvijen. Nedostaci su mu što koristi neobnovljive izvore i emituje CO2 u atmosferu. Elektroliza nije ekonomski opravdana i zavisi od izvora struje. Ako se za dobijenje struje koristi ugalj, emituje se CO2. Sistemi sunce – vodonik imaju efikasnost 65 % ali su skupi. Gasifikacije uglja takođe ne zahteva prevelike troškove ali emisija CO2 umanjuje atraktivnost ovog procesa.
Vodonik se može dobiti i termičkom disocijacijom vode što je napomenuto u odeljku o gorivim ćelijama.
Vodonik se može korisiti u konvencionalnim tehnologijama dobijanja energije, kao na primer za pokretanje motora automobila i turbina elektrana, ali i u savremenim tehnologijama, na primer u gorivim ćelijama, hemijskom izvoru električne energije,
124
zanačjno čistijem i efikasnijem od konvencionalnih tehnologija. Danas je tečni vodonik veoma zastupljen kao gorivo u američkom svemirskom programu, a mnoge zemlje ga koriste kao gorivo za lansiranje satelita. Smatra se da vreme vodonika tek dolazi.
10.3. Biomasa
Hiljadama godina do industrijske revolucije i početka eksploatacije fosilnih goriva ljudi su koristili biomasu kao osnovni izvor energije. Drvo, slama, životinjska mast korišćeni su za grejanje i kuvanje. Za osvetljavanje prostorija ljudi su koristili biljna ulja i sveće napravljene od masnoće. Danas se ponovo vraćamo ovim korenima ali kroz savremene tehnologije. U telima biljaka koje rastu na Zemlji godišnje se fotosintezom proizvede oko 2⋅1011 tona organske materije, odnosno 1011 tona ugljenika. Iako je koeficijent korisnog dejstva ovog procesa svega oko 5 %, procenjen energetski bilans je reda 1021J.
Postoji više načina korišćenja energije sadržane u biomasi. Najjednostavniji način je sagorevanje.
Drvo je poseban primarni oblik energije koji se obnavlja, jer ga je moguće trajno - bez vremenskog ograničenja dobijati iz šumskog kompleksa ako je seča usklađena sa prirastom. Pri tome je bitan intezitet seče. Ako je intezitet seče veći od prirasta mogu se vrlo brzo iscrpeti sve rezerve, ali i obrnuto, ako je seča manja od prirasta zalihe se mogu povećati. Prema tome drvo kao primarni oblik energije nalazi se s obzirom na obnovljivost između oblika koji se obnavljaju i onih koji se ne obnavljaju. Zato od načina eksploatacije zavisi treba li drvo smatrati obnovljivim ili neobnovljivim izvorom energije.
Kao gorivo visoke toplotne moći mogu se koristiti, osim drveta iz šuma, delovi biljaka koji preostanu posle berbe kukuruza, suncokreta, repe itd. Ekonomično je korišćenje ovako dobijene toplotne energije u industrijskoj preradi poljoprivrednih proizvoda, dakle "na licu mesta". Sagorevanje biomase ima u odnosu na ugalj nesumnjivu ekološku prednost pošto zbog mnogo nižeg sadržaja sumpora znatno manje zagađuje atmosferu.
Danas je uspešno razvijena tehnologija proizvodnje tečnih automobilskih goriva iz biomase, i to proizvodnja etanola iz šećera i proizvodnja biodizela iz biljnih ulja ili životinjskih masti. Fermentacija biomase u alkohol je trenutno najrazvijeniji metod hemijske konverzije biomase. Proces je vrlo popularan u Brazilu gde se iz šećerne trske dobija metanol koji se upotrebljava kao dopuna benzinu za pogon motornih vozila. Uljana repica se koristi kao sirovina za proizvodnju bio-dizel goriva.
Dobijanje biogasa iz stajskog đubriva i drugih biljnih i životinjskih otpadaka je proces koji je pogodan kako na velikim uzgajalištima domaćih životinja, tako i u manjim domaćinstvima. Ovaj gas nastaje fermentacijom bez prisustva kiseonika u specijalnim digestorima i predstavlja smešu metana i ugljen-dioksida u odnosu 2:1. Sličan je dakle
125
prirodnom zemnom gasu, tako da može da se koristi za kućne potrebe: kuvanje, osvetljenje, grejanje i pogon motora. Efikasnost ovakvog iskorišćenja biomase je povećana time što materijal koji ostane u digestoru posle izdvajanja gasa, ima kao đubrivo bolje kvalitete od početnih sirovina.
126
11. AKUMULIRANJE I TANSPORT ENERGIJE
Nemogućnost usklađivanja proizvodnje energije sa potrošnjom, kako u vremenskom tako i količinskom pogledu, zahteva akumuliranje energije i njen transport.
11.1. Metodi akumuliranja
Prilikom izbora načina akumuliranja važni činioci su gustina akumulirane energije, tj. masa ili zapremina akumulacionog sistema, zatim specifična snaga, tj. moguća brzina iskorišćenja i cena koja raste sa vremenom uskladištenja. Zavisno od oblika energije razvijeni su različiti načini akumuliranja. 1. Akumuliranje hidroenergije, odnosno potencijalne energije vode, se vrši reverzibilnim hidroelektranama. U periodu male potrošnje, deo snage elektrane puni akumulacioni bazen koji se nalazi na većoj visini od elektrane, a u periodu maksimalne potrebe se iskorišćava potencijalna energija nagomilane vode.
2. Akumuliranje hemijske energije se može izvršiti uskladištenjem fosilnih goriva u prirodnom obliku ili u obliku naftnih derivata. Hemijska energija se čuva i u hemijskim izvorima struje. Ovde su posebno značajni akumulatori zbog mogućnosti obnavljanja procesa punjenja i pražnjena. 3. Akumuliranje mehaničke energije se vrši zamajcima. Kinetička energija rotacionog kretanja iznosi
2
21ω= IE (11.1)
gde je moment inercije tela u odnosu na osu oko koje rotira. Pri velikoj ugaonoj brzini i pogodnom obliku zamajac može, ako je trenje svedeno na minimum, da akumulira veliku
količinu energije. Ograničavajući faktor je, osim dimenzija, otpornost materijala od kojeg je izrađen, pošto sa povećanjem ugaone brzine raste intenzitet centrifugalne sile koja može dovesti do kidanja. Nedostatak mu je nemogućnost hitnog zaustavljanja u slučaju potrebe.
∫= dmrI 2
ω
4. Akumuliranje električne energije se može vršiti u obliku energije električnog ili magnetnog polja. Napunjen kondenzator kapaciteta C sadrži energiju električnog polja koja iznosi
2
21 CUE = (11.2)
gde je U napon između obloga. Kapacitet je proporcionalan dimenzijama kondenzatora i dielektričnoj konstanti izolatora koji se nalazi između obloga. Količina energije koju može da primi
127
je ograničena probojnim naponom izolatora. Ako je kondenzator dobrih karakteristika (male provodljivosti) on može dugo po odvajanju od izvora da čuva energiju elektrostatičkog polja. Savremena istraživanja se bave poboljšanjem osobina izolatora. U solenoidu koeficijenta samoindukcije , kroz koji protiče struja jačine L I akumulira se energija magnetnog polja koja iznosi
2
21 LIE = (11.3)
Koeficijent samoindukcije je proporcionalan dimenzijama solenoida i magnetnoj permeabilnosti jezgra. Ograničenje za mogućnost povećanja energije u unutrašnjosti solenoida je privlačna sila među navojcima. Povećanje struje, osim povećanja ove sile dovodi i do većih gubitaka u obliku Džulove toplote, pošto solenoid u opštem slučaju ima nezanemarljiv termogeni otpor. Buduća izgradnja solenoida od visokotemperaturnih superprovodnika trebalo bi da otkloni ove gubitke. Suštinska razlika između akumuliranja kondenzatorom i solenoidom je u tome što solenoid sadrži energiju samo dok kroz njega protiče struja. 5. Akumuliranje energije sabijanjem gasa može se vršiti tako što se u periodu kada postoji višak električne energije, ona koristi za upumpavanje gasa (obično vazduha), u velike rezervoare. To mogu biti prirodne pećine, napušteni rudnici ili specijalno izrađeni tankovi. Sabijeni gas se, u periodu veće potrebe za energijom, pušta na gasnu turbinu za proizvodnju električne energije. Prilikom višestruke kompresije može doći do znatnog povišenja temperature gasa, ali se oslobođena toplota u principu može iskoristiti. 6. Akumuliranje toplotne energije je neophodno kod veće eksploatacije solarne energije zbog njene male gustine i vremenske promenljivosti. Skladištenje energije kao toplotnog sadržaja materijala je jednostavno i ne zahteva velika sredstva. Akumulirana energija se može korstiti za zagrevanje i hlađenje prostora kao i proizvodnju električne energije. Akumulacija toplotne energije se može vršiti na dva načina. Prvi, “akumulacija u užem smislu”, predstavlja održavanje visoke temperature bilo kakve materije koja ima veliku masu i termički je izolovana od spoljašnje sredine. Drugi način je akumuliranje u obliku latentne toplote faznih prelaza, pri čemu se obično koristi latentna toplota topljenja.
- Skladištenje toplotne energije ″u užem smislu″ se vrši u tankovima ispunjenim materijalom pogodnih fizičkih osobina. Kvalitet skladištenja zavisi od toplotnog kapaciteta materijala u kome se skladišti, kao i od opsega temperatura u kome u procesima punjenja i pražnjenja sistem ostaje stabilan. Naime, temperatura materijala raste pri apsorbciji energije i snižava se pri njenom otpuštanju. Idealan model skladišta podrazumeva da procesi punjenja i pražnjenja budu reverzibilni i to neograničeni broj ciklusa. U ovim skladištima toplotne energije, termodinamički procesi su gotovo uvek izobarski, na atmosferskom pritisku. Kako je specifični toplotni kapacitet gasova mali,oni nisu pogodni za skladištenje toplote već se tankovi najčešće pune čvrstim materijali ili tečnostima. Pri promeni temperature tela usled kontakta sa telom niže temperature, prenese se energija, tj. oslobodi toplota
128
dTcMQT
T∫=2
1
p (11.4)
gde su T1 početna, T2 krajnja temperatura, M masa datog tela (materijala u kome je uskladištena energija), a cp specifični toplotni kapacitet pri konstantnom pritisku. Pošto se masa materijala i njegov specifični toplotni kapacitet mogu smatrati konstantnim,
)( 12p TTMcQ −= . (11.5)
Količina materijala potrebna za izradu skladišta i toplotni gubici proporcionalni su površini tanka. Kapacitet skladišta proporcionalan je njegovoj zapremini. Zbog manjeg odnosa površina – zapremina veliki tankovi imaju manje gubitke toplote po jedinici uskladištene energije.
Tabela 11.1. Termičke osobine odabranih često korišćenih tečnosti
Gustina Specifični toplotni kapacitet
Temperaturski opseg Materijal
(103 kg/m3) (103 J/kgK) (°C) voda 1.00 4.19 0 - 100 etanol 0.78 2.46 -117 - 79
glicerin 1.26 2.42 17 - 290 sintetička ulja 0.91 1.80 -10 - 400
Iz tabele se vidi da voda ima najveći specifični toplotni kapacitet. S obzirom da je i jeftina, logično je koristiti je za skladištenje toplote. Upravo se tank sa vodom korsiti u većini domova za skladištenje toplotne energije. Tank je obično izolovan poliuretanskom penom toplotne provodljivosti κ = 0.02 W/mK i gustine ρ = 30 kg/m3.
Neka je tank cilindričnog oblika, prečnika D i dužine L napunjen toplom vodom. Zapremina vode u njemu je
LDV 2
41π=
a toplotni kapacitet
VcC pp ρ= (11.6) Površina tanka je
DLDS π+π= 2
21
.
Tokom vremena energija se sa vode prenosi na okolinu po zakonu
129
)( ov TTkSdtdQ
−τ
= (11.7)
gde je debljina zidova tanka a τ ov TT − razlika temperatura vode i okoline. Temperatura vode u skladištu se usled toga menja brzinom
)()2(2ov
p
TTDLc
LDkdtdT
−τρ
+= . (11.8)
Brzina kojom temperatura opada, zbog gubitaka tooplote preko zidova tanka, proporcionalna je ukupnoj površini tanka a obrnuto proporcionalna njegovoj zapremini. Ako su zidovi suviše tanki, gubici toplote će biti veći. Prema tome, za tank stalne zapremine, treba da postoji optimalan odnos njegovih dimenzija kako bi se minimalizovali gubici. Pokazano je da je taj odnos takav da prečnik treba da bude jednak visini tanka. Tada je
)(6ov
p
TTDc
kdtdT
−τρ
= (11.9)
Dakle, što je veći tank, brzina hlađenja je manja, tank će bolje održavati temperaturu. Na primer, za D=L=1 m, τ=0.05 m, Tv=800C i To=200C, pad temperature će biti 0.124 0C po satu. Temperatura će opasti za 1 °C tek nakon 8 sati, što opravdava korišćenje ovih sistema.
Za razliku od tečnosti, čvrsti materijali mogu da obezbede širi temperaturski opseg i ne moraju biti uskladšteni u tank. Toplotna provodljivost postaje značajan parametar. U tabeli 11.2. date su termičke osobine tipičnih čvrstih materijala. Može se videti da materijali visoke toplotne provodljivosti imaju nizak specifični toplotni kapacitet.
Tabela 11.2. Termičke osobine odabranih često korišćenih čvrstih materijala
Gustina Specifični toplotni kapacitet
Toplotna provodljivost
(W/m⋅K) Materijal
(103 kg/m3) (103 J/kgK) aluminijum 2.70 0.89 204
gvožđe 7.90 0.837 29.3 bakar 8.95 0.38 385
mokra zemlja 1.70 2.1 2.5 suva zemlje 1.26 0.795 0.25
kreč 2.50 0.91 1.3 granit 3.00 0.79 3.5
drvo (hrast) 0.48 2.0 0.16
Koristeći materijale koji ispoljavaju fazne prelaze može biti uskladištena zanačajno veća količina toplotne energije. Sa teorijskog aspekta posmatrano, mogu se primeniti tri tipa faznih
130
prelaza i to čvrsto stanje – gas, tečnost – gas i čvrsto stanje – tečnost. Međuti, pošto gasovi zauzimaju velike zapremine, prva dva navedena tipa prelaza se ne koriste uprkos velikim vrednostima latentne toplote. Prelaz čvrsto stanje – tečnost zahteva male promene zapremine, obično svega nekoliko procenata, te su stoga prikladni za skladištenje energije. U tabeli 11.3 navedeni su u ovu svrhu često korišćeni materijali koji ispoljavaju fazne prelaze.
Tabela 11.3. Termičke osobine materijala sa faznim prelazom
Materijal
Temperatura faznog prelaza
(°C)
Gustina
(103 kg/m3)
Latentna toplota
(106 J/m3) voda - led 0 1.00 335
parafinski vosak 58 - 60 0.90 180 – 200 Žovotinjska mast 20 - 50 0.90 120 – 210 CaCl2(6→2)H2O 29 1.71 190.8
Na2SO4(10→0)H2O 32.4 1.46 251 Ba(OH)2(8→0)H2O 72 2.18 301 MgCl2(6→4)H2O 117 1.57 172
Uopšte gledano, toplota apsorbovana ili otpuštena u faznom prelazu je
12 HHQ −= (11.10)
gde su H1 i H2 entalpije pre i posle prelaza. Latentna toplota h, ili specifična entalpija definiše se kao
VHh /= (11.11) gde je V zapremina materijala. Materijal koji zadovoljava uslove za skladištenje energije na željenoj temperaturi treba da ima veliku latentnu toplotu faznog prelaza, da ispoljava malu promenu zapremine, da nije zapaljiv, korozivan, toksičan i da je jeftin. Materijali navedeni u tabeli 11.3 npr. voda, parafinski vosak, životinjske masti i hidrati različitih soli zadovoljavaju ove uslove. Ipak, ovakvi sistemi za skladištenje toplotne energije su značajno skuplji u poređenju tečnostima ili čvrstim materijalima kao sistemima za skladištenje. Radi ilustracije analizirajmo primer sistema voda – led. Za ranije pomenuti izolovani tank, cilindričnog oblika, prečnika D i dužine L, promena entalpije usled faznog prelaza tj. ukupna latentna toplota je
LhDH 2
41π=Δ (11.12)
Za tank dimenzija D=L=1 m napunjen ledom temperature 0°C, dobija se ΔH= 2.63x108 J. Ako je temperatura okoline 20 °C, brzina gubitka toplote kroz zid tanka na osnovu relacije (11.7)
131
iznosi 1.89 W. Tank će održavati temperaturu od 0 °C čak 1.39⋅108 s, ili 4.4 godine. Analiziran
primer pokazuje da je ovakav način skladištenja toplotne energije zaista efikasan.
7. Skladištenje vodonika: Postupci skladištenja vodonika su ključni predmeti istraživanja. Problem je njegova mala gustina u gasovitom stanju. Vodonik se može skladištiti u gasovitom ili tečnom stanju ili u formi hemijskih jedinjenja. Današnje tehnologije omogućavaju skladištenje, transport i isporuku i gasovitog i tečnog vodonika sistemom cevovoda i u tankovima. Komprimovani vodonik u tankovima predstavlja najstariju tehnologiju skladištenja poznatu stotinak godina. Osnovni nedostatak takvih tankova je njihova velika masa u odnosu na masu uskladištenog vodonika. Tečni vodonik zahteva manju zapreminu za skladištenje od gasa, ali i skup kriogeni sistem. Likvefakcija vodonika praćena je isparavanjem koje dovodi do gubitka jedne trećine energije sadržane u vodoniku. Vodonik može biti uskladišten u metalnim hidridima ili adsobovan u ugljeničnim strukturama, npr. nanotubama. Kada je potreban, izdvaja se iz ovih formi pod određenim uslovima temperature i pritiska. U tabeli 11.1 su dati primeri metalnih hidrida sa kritičnim parametrima.
Tabela 11.1. Primeri metalnih hidrida
metal hidrid maseni % vodonika
ravnotežna temperatura
(K)
ravnotežni pritisak
(bar) Pd PdH0.6 0.56 298 0.02
LaNi5 LaNi5H6 1.37 298 2 ZrV2 ZrV2H5.5 3.01 323 10-8
FeTi FeTiH2 1.89 303 5 Mg2Ni Mg2NiH4 3.59 555 1 TiV2 TiV2H4 2.60 313 10
Kao nova alternativa pojavili su se jednostavni hemijski hidridi (npr. LiH, CaH2) kao i
kompleksni (npr. NaBH4, LiBH4) koji u reakciji sa vodom daju vodonik. Na primer,
NaBH4 + (2+x) H2O → 4H2 + NaBO2 · xH2O + toplota. (11.13) U prethodnoj jednačini, x je faktor hidratacije koji govori o tome da čvrst produkt može postojati sa različitim stepenom hidratacije. Slučaj kada je x = 1 bio bi idealan, a reakcija bi dala 10.3 kg vodonika na 100 kg reaktanata.
Pošto je vodonik hemijski vezan u ovakvim jedinjenjima i oslobađa se katalitičkim procesima, hemijski hidridi predstvalju prirodnu i bezbednu opciju skladištenja isparljivih i zapaljivih goriva kao što su vodonik, benzini, metanol i druga. Ipak, ne postoje načini koji bi zadovoljavali sve kriterijume, bezbednost, male gubitke i male troškove. Uporedimo na kraju cene uskladištenja za neke od opisanih postupaka. Troškovi potiču od sistema koji ubacuje energiju u skladište i sistema koji je održava, s tim što ovi drugi rastu sa
132
trajanjem uskladištenja. U tabeli 11.2 je dato poređenje troškova datih u relativnom iznosu, tako što je uzeto da troškovi ubacivanja kod zamajca iznose 1.
Tabela 11.2. Upoređenje troškova akumulacije
Akumulacioni sistem Troškovi
ubacivanjaTroškovi čuvanja po
satu
električna baterija 1,0 0,6sabijanje vazduha 3,6 0,06
zamajac 1,0 1,25vodonik 7,5 0,2
reverzibilna elektrana 3,1 0,19akumuliranje toplote 5,6 0,22
Problem akumuliranja energije je danas jedno od važnih pitanja kojima se bavi energetika. Smatra se da nova tehnička rešenja, osim što treba da obezbede snabdevanje energijom u konkretnom periodu, mogu da doprinesu dužem trajanju iscrpivih izvora i smanjenju brojnih negativnih ekoloških uticaja proizvodnje energije.
11.2. Transport goriva i energije
Izvori energije, sistemi za akumulaciju, skladišta i potrošači često su međusobno udaljeni. Radi smanjenja cene dobijene korisne energije povoljno je lokalizovati velike potrošače blizu izvora energije ili sistema u kojima je akumulirana. Zbog toga se termoelektrane instaliraju u blizini rudnika uglja, elektrohemijska postrojenja pored elektrana itd. Ipak, najveći broj potrošača udaljen je od mesta proizvodnje tako da im je potrebno transportovati energiju. Hemijsku energiju je moguće transportovati u samom gorivu, a osim nje moguće je transportovati još i toplotnu i električnu energiju. Kriterijumi za izbor načina prenošenja su, između ostalih, geografski i tehnički uslovi, potrebna energija, uticaj transporta na okolinu kao i cena transportovane energije.
11.2.1. Transport fosilnih goriva 1. Ugalj se najčešće transportuje železnicom. Ovakav način transportovanja je ekonomski opravdan samo za visoko kvalitetan ugalj bez nekorisnih primesa, dok je ugalj nižeg kvaliteta ekonomičnije trošiti u termoelektranama izgrađenim uz samo nalazište. Pod određenim uslovima i ugalj se može ekonomično transportovati cevovodom. Takav transport se, na primer, vrši cevovodom postavljenim duž Velikog kanjona reke Kolorado. Samleveni ugalj se meša sa vodom u odnosu 1:1 i vodi do elektrane, gde se najpre centrifugiranjem odstranjuje voda, a zatim se ugalj nakon sušenja koristi kao gorivo.
Smatra se da može biti ekonomičan i cevovodni transport smeše samlevenog uglja i tečnih ostataka rafinerijske prerade nafte. Ovakva smeša je direktno upotrebljiva kao gorivo a zbog visoke toplotne moći može da zameni koks.
133
Ugljeni prah se takođe može mešati i sa tečnim ugljendioksidom i u takvom stanju takođe prenositi cevovodom pod pritiskom 120 puta većim od atmosferskog i na temperaturi između -4 i 20 °C. S obzirom da je koeficijent viskoznosti tečnog ugljendioksida manji nego kod vode, ovakva smeša lakše protiče. Osim toga, odvajanje uglja je jednostavnije a sušenje nije potrebno, tako da je procenjeno da ovakav transport može biti i do 50% jeftiniji od železničkog. 2. Nafta se transportuje tankerima, vozovima i naftovodima. Približno polovina ukupne transportovane nafte u svetu se prevozi tankerima. Cena prevoza je znatno snižena izgradnjom tankera velikog kapaciteta, ali su oni ekonomični samo na velikim relacijama. Tankerski prevoz je ispoljio u slučajevima havarije izrazito štetan uticaj na okolinu jer se prolivena nafta razlivala po ogromnoj površini zagađujući vodu i uništavajući živi svet u njoj. Prevoz nafte železnicom je lokalnog značaja. Znatno veće količine se transportuju naftovodima kroz koje nafta teče laminarno. Za savljađivanje sile viskoznog trenja potrebno je naftovod opremiti pumpama. Energija koja je potrebna za prenos zadate zapremine duž horizontalne cevi, proporcionalna je, prema Poazeljevom zakonu, rastojanju, kvadratu brzine toka i koeficijentu viskoznosti a obrnuto proporcionalna četvrtom stepenu poluprečnika cevi. Najefikasniji put sniženja troškova transporta je dakle uvećanje poluprečnika cevi. Savremeni naftovodi imaju poluprečnik do 0.7 m. Ukoliko naftovod prolazi kroz krajeve sa niskom spoljašnjom temperaturom, povećava se koeficijent viskoznosti nafte. Za održavanje normalnog proticanja tada je potrebno dodatno ulaganje energije za zagrevanje nafte, što uvećava troškove transporta. 3. Gas se transportuje gasovodima, (oko 60% prevezene količine) ili tankerima u tečnom stanju (ostalih 40%). Poluprečnik savremenih gasovoda je isti kao kod naftovoda a pritisak gasa u njima je 50 do 100 puta veći od atmosferskog. Gasovodi se radi sniženja troškova obično ne ukopavaju u zemlju. Niska temperatura okoline ne utiče značajno na koeficijent viskoznosti gasa ali zahteva specijalne konstrukcione materijale koji nisu krti, što je naročito izraženo na primer u Sibiru. Propusna moć gasovoda preračunata u energetsku vrednost transportovanog proizvoda je prosečno 4 puta niža nego naftovoda istog prečnika. Pretvaranjem gasa u tečnost pogodnim izborom parametara stanja, znatno se povećava propusnost cevovoda jer se prenosi gorivo veće gustine. Transport tankerima vrši se u tečnom stanju, u kojem je zapremina manja od 1/600 zapremine u gasovitom stanju. To zahteva stalnu temperaturu ispod -160 °C i druge specifičnosti koje poskupljuju tanker za gas u odnosu na tanker za prevoz nafte, a može da preveze samo 1/3 energije koju bi prevozio u vidu nafte. Osnovna prepreka u razvoju svetske trgovine prirodnim gasom su visoke cene za njegov transport.
11.2.2. Transport toplotne i električne energije 1. Za transport nosioca toplote koristi se posebno projektovana cevna mreža (toplovod ili parovod), koja se najčešće izvodi kao podzemna. Toplota koju voda prenosi direktno je proporcionalna masenom protoku i razlici temperatura razvodne i povratne vode. Izbor ovih temperatura je izuzetno značajan. Naime, da bi toplovod bio jeftiniji, a to znači manjeg prečnika, i da bi snaga pumpe i utrošeni rad bili manji, razlika temepratura razvodne i povratne vode treba da bude što veća. Ovo je naročito važno kada su u pitanju duže relacije transporta. Inače,
134
transport toplotne energije se ne vrši na velikim rastojanjima, pošto su troškovi termičke izolacije toplovoda visoki. Lokalno se po većim gradovima vrši transport tople vode podzemnim cevovodom. Ovakav način obezbeđivanja toplotne energije smanjuje koncentraciju štetnih sastojaka u vazduhu pošto se toplana, koja obično radi na fosilna goriva, može smestiti na periferiji. 2. S obzirom da se u električnu mogu konvertovati mnogi drugi teško prenosivi oblici energije, transport električne energije je izuzetno razvijen. Protok energije je relativno lako podešavati regulacijom napona i može se izgraditi razgranata mreža za snabdevanje velikog broja potrošača. Prenos se na većim rastojanjima, radi smanjenja gubitaka, vrši isključivo metalnim provodnicima malog specifičnog otpora kao što su bakar i alumunijum, sa trofaznom naizmeničnom strujom napona reda stotina kilovolti. Za snabdevanje naselja napon se snižava do reda stotine volti. Izgradnja velikih dalekovoda je obezbedila snabdevanje enegijom mnogih potrošača lociranih daleko od energetskih izvora i izazvala velike promene i nesumnjivi napredak u svakodnevnom životu. Međutim pojavile su se i neke negativne ekološke posledice. Pre svega, uticaj jakih elektromagnetnih polja na živi svet još uvek nije sasvim poznat, ali se smatra da može biti štetan. Kao sledeći uticaj navešćemo pojavu korone koja nastaje kada jačina električnog polja na površini provodnika prevaziđe probojni napon okolnog vazduha. Korona stvara elektromagnetne smetnje radio i TV vezama, akustički šum i pojavu ozona i azotovih oksida koji su štetni po žive organizme. Najzad, samo postavljanje dalekovoda često zahteva sečenje šuma i promenu pejzaža. Prenos električne energije podzemnim kablovima je relativno skup. Zahteva dobru električnu izolaciju provodnika od tla, a istovremeno ta izolacija ne sme da izaziva zagrevanje provodnika Džulovom toplotom, pošto bi to dovelo do povećanja specifičnog otpora odnosno gubitaka. Smatra se da će za prenos električne energije u budućnosti od izuzetnog značaja biti realizacija visokotemperaturskih superprovodnih sistema koji će eliminisati gubitke energije tokom transporta. Pri tome treba imati u vidu da proizvodnja materijala koji su superprovodni na običnim temperaturama, a kojih danas još nema, nije jedini problem. Naime, nestanak superprovodljivosti, iz bilo kakvih razloga, doveo bi do nagle samoindukcije koja bi u principu mogla da razori ceo razvodni sistem zajedno sa priključenim potrošačima.
135
12. EKOLOŠKI ASPEKTI ENERGETIKE
Sa razvojem stepena civilizacije potrebe ljudi za energijom se značajno uvećavaju. Najveći negativan uticaj na životnu sredinu ima proizvodnja energije. Približno 80% zagađenja okoline je posledica tri delatnosti iz domena energetike i to: eksploatacije energetskih izvora, konverzionih procesa i transporta goriva i energije.
12.1. Uticaj eksploatacije nalazišta energetskih izvora
Foslina goriva - eksploatacija fosilnih goriva, iako prihvatljiva sa stanovišta razvijenih tehnologija, značajno doprinosi zagađenju okoline. Naime, eksploatacija uglja se vrši površinskim i podzemnim iskopavanjima. Zemljište na područjima na kojima se kopovi nalaze ostaju razorena, zatrpana jalovinom, a vetar raznosi čestice uglja i jalovine u atmosferu i vodu. Jednostavnim procesom obnavljanja nasipanjem plodnog zemljišta i sađenjem biljaka koje relativno brzo rastu, zemljište se regeneriše. Podzemni kopovi izazivaju ozbiljnije posledice koje se ispoljavaju kroz nestabilnost terena i mogućnost urušavanja tla. Neretka pojava jeste isticanje vode iz napuštenih rudnika. Ta voda je često zagađena teškim metalima, sumpornom kiselinom i drugim toksičnim i opasnim supstancijama. Eksploatacija nafte takođe doprinosi zagađenju. Iz bušotina na otvorenom moru često uz nekontrolisanu erupciju nafte izlaze mulj i slana voda iz nalazišta. S obzirom da je sirova nafta smeša različitih organskih jedinjenja koja su često toksična i kancerogena, dospevanje u vodu dovodi do uništenja žive populacije u njoj. Požar izazvan paljenjem naftne mrlje takođe prestavlja vid zagađenja. U ne tako davnoj prošlosti zabeleženo je niz ekoloških katastrofa izazvanih izlivanjem nafte ili požarima. Naime, 2002. godine potonuo je naftni tanker u blizini španske obale. Tom prilikom je u more dospelo oko 77000 tona sirove nafte, a oko 3000 km španske obale je bilo zagađeno. Rafinerije često izazivaju zagađenja, uglavnom produktima sagorevanja goriva koje opskrbljuje energijom samu rafineriju, kao i gustim talogom koji nastaje kao otpad u procesu destilacije. Intenzivnija proizvodnja nafte iz uljanih škriljaca i bitumenoznog peska će očigledno imati značajan uticaj na okolinu s obzirom na sumporna jedinjenja koja se tom prilikom izdvajaju.Takođe, proces ekstrakcije nafte iz ovih sirovina zahteva veliku količinu vode koju zatim treba odbaciti u okolinu. S obzirom da će se ekspoatacija ovih goriva vršiti iskopavanjima, njihov uticaj na okolinu biće sličan uticaju kopova uglja. Od svih fosilnih goriva najčistiji je prirodni gas. Uticaj eksploatacije nalazišta gasa na okolinu je posledica toga što se gas nalazi uglavnom zajedno sa naftom. Nuklearna goriva – ruda urana, iz koje se dobija fisiono gorivo, se, kao i ugalj, vadi u podzemnim i površinskim rudnicima. Ona sadrži radijum iz kojeg radioaktivnim raspadom nastaje radioaktivni gas radon. U podzemnim rudnicima može da dođe do
136
nagomilavanja ovog gasa i velike opasnosti po zdravlje rudara. Sa površinskih kopova velike količine samlevene rude mogu uz pomoć vetra da kontaminiraju okolno zemljište, vazduh i vodotokove. Obrada uranove rude u cilju obogaćivanja i proizvodnje fisionog goriva je takođe visoko rizičan proces. On se izvodi pod strogim fizičkim i tehničkim uslovima, a pritom dobijeni otpad se čuva u čeličnim kontejnerima na propisima određenim mestima. Energija vode - doprinosi smanjenju zagađenja i redukciji globalnog zagrevanja. Ipak, klasične elektrane sa akumulacijom imaju negativan uticaj na okolinu. Osnovni nedostaci su uništavanje plodnog zemljišta izgradnjom akumulacionih jezera, uticaj nagomilane vode na lokalnu klimu i eventualno izazivanje nestabilnosti terena pritiskom vode. Energija vetra – spada u čiste energije, s obzirom da pri eksploataciji nema emisije štetnih supstancija. Negativan uticaj vetrenjača na okolinu su estetsko narušavanje pejzaža, proizvodnja buke i elektromagnetnih smetnji, zauzimanje zemljišta kao i sudaranje ptica sa vetrogeneratorima.
Geotermalna energija – spada u čiste energije. Geotermalne elektrane ne
sagorevaju fosilna goriva i ne emituju gasove staklene bašte. Stoga ne doprinosi značajno globalnom zagađenju, niti zagrevanju. Izvori geotermalne energije ponekad sadrže vodonik sulfid koji ima neprijatan miris i može biti toksičan pri velikim koncentracijama, i izlivanja tople i eventualno slane vode po okolini ugrožava biljni svet. Topla voda takođe može da sadrži rastvorene minerale što onemogućava direktnu upotrebu. Oblasti u kojima se nalaze geotermnalne elektrane predstavljaju potencijalno nestabilna područja u kojima eksploatacija vode može dovesti do potresa i pojave klizišta.
Biogoriva – manje zagađuju okolinu ugljen dioksidom od fosilnih goriva.
Biogoriva sadrže ugljenik koji se nalazio u atmosferi tako da se ugljen dioksid oslobađa u procesu sagorevanja ali se pri tom ne povećava njegova emisija. Zamena fosilnih goria biogorivima trebalo bi da doprinese smanjenju globalnog zagrevanja i zagađenja vazduha. Biodizel je potencijalni zagađivač oksidima azota, nosilaca smoga, posebno opasnih za respiratorne organe. Za proizvodnju biogoriva potrebne su velike površine na kojima bi se sadile kulture za njihovu proizvodnju. Ovo ponekad zahteva velike početne troškove koji poskupljuju cenu goriva. Vodonik – njegova proizvodnja može imati negativan uticaj na okolinu. U zavisnosti od procesa dobijanja može doći do emisije ugljen dioksida i drugih gasova. Takođe, mođe doći do isticanja vodonika u atmosferu, i u slučaju masovne upotrebe značajna količina odbeglog vodonika mogla bi potencijalno da promeni sastav atmosfere. Neki od naučnika smatraju da bi ovo doprinelo oštećenju ozonskog omotača. Ipak, ovo su pretpostavke a trenutno je nemoguće predvideti pravu ulogu vodonika. Solarna energija – može imati i poziivne i negativne efekte. Tehnologije korišćenja solarne energije nemaju negativnog uticaja, ne proizvode buku i ne emituju gasove staklene bašte. U slučaju velikih solarnih elektrana negativan uticaj se odražava
137
na životinjske vrte koje žive u blizini. Prirodna staništa ovih vrsta bivaju zauzeta instalacijama.
12.2. Uticaj konverzije energije na okolinu Raznovrsnost konverzionih procesa dovodi do većeg broja različitih uticaja na okolinu. Među njima se ističu sagorevanje fosilnih goriva, rad nuklearnih elektrana i toplotno opterećenje okoline iz raznih procesa.
12.2.1. Sagorevanje goriva Najveći zagađivači okoline su termoelektrane. Od svih procesa sagorevanja kojima se hemijska energija konvertuje u toplotnu, najveće zagađenje izaziva sagorevanje uglja. U okolinu se emituju sitne čestice dima i pare koje izazivaju oštećenja organa za disanje ljudi i životinja, talože se na građevinama i okolnim predmetima, i izazivaju koroziju materijala. Emisija čestica u atmosferu se kontroliše i smanjuje elektrostatičkim taloženjem i upotrebom filtara. Sumpordioksid bilo u gasovitom stanju, ili i u obliku kiselih kiša ozbiljno ugrožava životnu sredinu. Otklanjanje sumpordioksida iz dima je jedan od najvećih problema svih velikih ložišta uglja. Radi ograničenja emisije sumpordioksida u atmosferu, dim se pre ispuštanja provodi kroz uredaj za prečišćavanje. Ukoliko ima mogućnosti, treba smanjiti upotrebu uglja bogatog sumporom. U dimu se takođe nalaze i azotovi oksidi koji imaju izrazito korozivno dejstvo, a osim toga formiraju smog. Pošto je prag za formiranje oksida na 1538 °C, temperaturu ložišta treba održavati ispod ove vrednosti. Međutim, to je u suprotnosti sa termodinamičkim zahtevom da temperatura toplotnog rezervoara bude što viša u cilju povećanja koeficijenta korisnog dejstva. Prisustvo azotovih oksida u dimu je stalan problem i za njega još nema dobrog rešenja. Ugljendioksid oslobođen u procesima sagorevanja uglja izaziva efekat staklene bašte na Zemlji i može i doprinosi topljenju leda sa polova i podizanja nivoa okeana sa ozbiljnim posledicama. Međutim, zagađenje atmosfere prašinom smanjuje njenu propustljivost i može da umanji ovaj efekat. Kao posledica povećanja koncentracije ugljendioksida uočen je ubrzan rast velikih šuma zbog obilja sirovina za fotosintezu, što se sa druge strane smatra pozitivnim efektom. Nema načina da se spreči emisija ugljendioksida iz uglja. Drugi deo otpada pri sagorevanju uglja je pepeo. Zbog prisustva nečistoća, u pepelu se mogu naći mnogi štetni sastojci. Najčešće se pojavljuju živa, olovo, cink i berilijum kao i neki opasni ugljovodonici koji nastaju pri nepotpunom sagorevanju. Pepeo se nagomilava, prekriva znatnu površinu i može vetrom i vodom da se raznese po
138
okolini. Jedan manji deo pepela se troši za proizvodnju nekih građevinskih materijala, što se može sa ekološkog aspekta smatrati nepovoljnim. Sagorevanje tečnih goriva daje takođe sumpordioksid, azotove okside i ugljendioksid, a motori sa unutrašnjim sagorevanjem izbacuju i znatnu količinu ugljenmonoksida kao i neke ugljovodonike. I sagorevanje prirodnog gasa proizvodi azotove okside i ugljendioksid. Slika (12.1) prikazuje tok energije i produkata sagorevanja fosilnih goriva.
zaliha goriva
sagorevanje
vršenje radakiseonik
rasejanje
odbacena toplota
šljaka talog
CO,CO ,H O,NO ,SO2 2 X X
u atmosferu
zagrevanje Zemlje
Sl. 12.1. Tok energije i produkata sagorevanja fosilnih goriva
12.2.2. Uticaj nuklearnih elektrana
U klasičnoj nuklearnoj elektrani se s obzirom na aktivnost zračenja razlikuju četiri oblasti: Najveću aktivnost imaju gorivi elementi čije košuljice predstavljaju prvi štit. Zatim sledi primarni krug rashladnog sredstva od kojeg se okolina štiti reaktorskom posudom i cevovodom. Treću oblast čini prostor postrojenja u kome su osim reaktorske posude još i generatori pare i pumpe za hladioce. Ova oblast je od četvrte odvojena biološkim štitom. Iza biološkog štita su pogonske prostorije u kojima se održava pritisak niži od pritiska okoline da bi se sprečilo nekontrolisano ispuštanje vazduha iz reaktorske zgrade. Na slici (12.2) su prikazane dimenzije ovih oblasi i specifična aktivnost u njima.
4 3 2 1. V= 12 m3 A= 7,4.1019 Bq/m3 2. V= 470 m3 A= 189.1010 Bq/m3 3. V= 10000 m3 A= 18,5.105 Bq/m3 4. V= 50000 m3 A= 18.5.10 Bq/m3
1
Sl. 12.2. Raspodela aktivnosti u nuklearnoj elektrani sa PWR reaktorom snage 1200 MW
139
Pri normalnom radu izvan reaktorske zgrade praktično nema zračenja. Nuklearna elektrana dakle pod normalnim uslovima ne zagađuje okolinu više od bilo koje druge.
Problemi međutim nastaju posle isrpljivanja fisionog goriva koje se iz reaktora uklanja. U principu, iz njega se mogu izdvojiti zaostali uran i stvoreni plutonijum da bi se ponovo iskoristili. Ovo gorivo je potencijalni izvor zagađenja pošto ima vrlo visoku aktivnost. Ostatak predstavlja smeša visoko radioaktivih produkata fisije. Najviše ima izotopa joda, cezijuma, stroncijuma, ksenona i kriptona. Ovaj radioaktivni otpad se čuva u specijalnim kontejnerima koji moraju biti tako smešteni da ne ugrožavaju okolinu. Mogu se skladištiti u napuštenim rudnicima i veštačkim pećinama, zakopavanjem u debele slojeve leda na Grenlandu i Antarktiku i potapanjem u velike dubine okeana, pa se čak razmišlja i o slanju u kosmos. Čuvanje treba obezbediti za više stotina godina pošto neki od izotopa imaju dugo vreme poluraspada. Odlaganje radioaktivnog otpada fisionih elektrana je jedan od njihovih glavnih problema. Drugi problem su akcidentne situacije koje mogu da budu drastične kao što je na primer, bio slučaj u Černobilju. One mogu da nastanu kao posledica nekog od sledećih kvarova: 1. kvar uređaja za rukovanje kontrolnim štapovima, 2. zastoj pumpe za proticanje hladioca, 3. nestanak električne energije, 4. gubitak rashladnog sredstva, što je najverovatniji kvar, 5. zatvaranje dovoda pare turbini, 6. kvar pumpe za napajanje generatora pare, 7. lom cevovoda kojim protiče hladioc i 8. lom cevovoda pare. Osim ovih pogonskih poremećaja, do akcidentnih situacija mogu dovesti ljudski faktor, vremenske nepogode (uragani i poplave), zemljotresi, eksplozije u okolini i sabotaže. Primer prirodne, koja je dovela do nuklearne katastrofe, je zemljotres u blizini japanske obale u proleće 2012. godine. Zemljotres je uzrokovao nastanak cunamija koji je izazvao niz nuklearnih akcidenata i otkazivanje rada uređaja u nuklearnoj elektrani Fukušima I. Posle černobiljske katastrofe ovo je druga teška nesreća posledica korišćenja nuklearne energije. Kao svako postrojenje, i nuklearne elektrane imaju ograničen radni vek koji iznosi oko trideset godina. Pitanje je šta učiniti sa njima posle gašenja. Veliki deo opreme je tada kontaminiran i opasan. Za sada se smatra da je najbolje rešenje debeli betonski štit oko reaktorske zgrade koji treba kontrolisati i održavati. I razoreni reaktor u Černobilju je "sahranjen" u betonskom "sarkofagu". O ekološkom uticaju budućih fuzionih elektrana može se steći utisak na osnovu sledeće procene Laboratorije za fiziku plazme Univerziteta u Prinstonu. Napravljen je uporedan proračun za proizvodnju 1000 MW snage klasičnom termoelektranom na ugalj i fuzionim postrojenjem, a rezultat je prikazan u tabeli 12.1.
140
Tabela 12.1. Prognoza ekološkog uticaja fuzione elektrane
klasična termoelektrana fuziono postrojenje
gorivo 9000 t uglja 0.5 kg D21.5 kg Li60.75 kg T2
otpad 3000 t CO2600 t SO280 t NO2
2 kg He4
Može se zaključiti da je, uz adekvatnu kontrolu oslobođenih neutrona, elektrana sa fuzionim reaktorom ekološki veoma kvalitetan sistem.
12.2.3. Toplotno opterećenje okoline Najveći deo toplotnog opterećenja okoline je posledica proizvodnje električne energije u termo i nuklearnim elektranama. Približno dve trećine proizvedene toplotne energije se ireverzibilno preda okolini, a samo jedna konvertuje u električnu. Najčešće tehničko rešenje za odbacivanje neiskorišćene toplote je njen prenos na veliku masu vode. To može biti reka, jezero ili specijalni rezervoar odakle se voda pumpama proteruje kroz postrojenje.
Ako je koeficijent korisnog dejstva konverzije toplotne energije u mehaničku 1Q
1
21
1
21 --ηP
PPQ
QQ== , (12.1)
a u električnu energiju
10η P
Pel= (12.2)
gde je snaga elektrane, uložena snaga, odvedena snaga iznosi elP 1P
02 η
η)1( −= elPP . (12.3)
Ova snaga zagreje za vreme tΔ neku masu vode mΔ . Ako je promena temperature vode
, iz jednačine toplotne ravnozeže sledi da je TΔ tPTmc Δ=ΔΔ 2 , odakle je
tmc
PP
tmc
T el
ΔΔ
−=
ΔΔ
=Δ1
ηη)1(1
02 , (12.4)
141
gde je c = 4186 J/kg K specifični toplotni kapacitet vode.
Vidi se da je porast temperature obrnuto srazmeran masi vode utrošenoj u jedinici vremena za hlađenje elektrane.
Voda je najčešći medij za odvođenje toplote. Porast temperature reka i jezera utiče na živi svet u njima tako što neke vrste nestaju, ali se ponekad pojavljuju nove. Osim toga, dešava se da snažne pumpe za vodu usisavaju i ubijaju ribe. Hemijska sredstva za čišćenje cevi kojima protiče voda za hlađenje su takođe zagađivači. Iskorišćavanje odbačene tople vode za grejanje smanjuje negativne efekte i doprinosi uštedi energije.
Drugi metod odbacivanja toplote je direktno u vazduh vlažnim i suvim rashladnim tornjevima. Oko vlažnih tornjeva se pojavljuju vodena para i sitne vodene kapi koje padaju na tlo i pri niskim temperaturama se lede što je naročito opasno na putevima. Suvi tornjevi su većih dimenzija, pa osim estetskog narušenja pejzaža, mogu izazvati lokalne nestabilnosti u atmosferi i pojavu vetra. Toplotne mašine, pre svega saobraćajna sredstva sa oto i dizel motorima, takođe predaju deo energije okolini što povećava ukupno opterećenje. Međutim njihov doprinos je znatno manji od doprinosa elektrana.
12.3. Energetska efikasnost Sa ekološkim uticajem energetike povezana je energetska efikasnost. Energetska efikasnost se može sagledati sa dva aspekta. Prvi se odnosi na energetski efikasne uređaje čija je osnovna karakteristika velika vrednost koeficijenta korisnog dejstva, odnosno male gubitke u procesu konverzije energije iz jednog oblika u drugi. Drugi aspekt se bavi merama i ponašanjem koje se primenjuju u ciju smanjenja potrošnje energije. One treba da doprinesu poboljšanju kvaliteta života i standarda. Iz savremenih istraživanja sprovedenih na nivou lokalnih zajednica moguće je izdvojiti energetske osnove studije energetske efikasnosti koja bi obuhvatala: - analizu potrošnje energije i potrošnje energenata, - analizu iskorišćavanja i potencijala lokalnih obnovljivih izvora energije, - podatke o tome kako je organizovano očuvanje energije, - stanje postojećih distributivnih energetskih sistema, - pregled i analizu potencijala štednje na području potrošnje energije, - analizu kritičnih tačaka postojećeg očuvanja energije i njene potrošnje i - analizu iskorišćavanja obnovljivih izvora energije. Kao primere dobre prakse koja se realizuje našem regionu (Velenje, Slovenija) navešćemo sledeće:
142
1. Primer daljinskog hlađenja - U institutu za daljinsku energetiku u Sloveniji su još 2003. godine shvatili koje su energetske mogućnosti i mogućnosti korišćenja toplotne energije, odnosno tehnološke mogućnosti daljinskog ne samo grejanja nego i hlađenja većih poslovnih objekata apsorpcijskim rashladnim agregatima. Daljinsko hlađenje ovim agregatima instalisano je u opštini Velenje. 2. Fotonaponske elektrane - na osnovu preliminarne energetske analize, gradska opština je odlučila da otpočne izgradnju mikrofotonaponske elektrane na krovovima javnih objekata koji su u vlasništvu gradske opštine i, naravno, gde je to moguće realizovati. Studija izvodljivosti je u procesu realizacije. 3. Lokalni autobus – besplatni javni prevoz. Opština je 2008. godine, uvela besplatni javni prevoz na svojoj teritoriji. Procene pokazuju da smanjenje korišćenja sopstvenog prevoza doprinosi smanjenju zagađenja ugljen dioksidom iznosi najmanje 169 t CO2 mesečno, šta godišnje iznosi 2034 t. Smanjenje saobraćaja u centru grada, osim smanjenja emisije CO2, i efekta globalnog zagrevanja, smanjuje i buku ali doprinosi povećanju zelenih površina zbog smanjenja potrebe za prostorom za parkiranje. Električna i hibridna prevozna sredstva, kao i vozila na vodonik trebalo bi da naprave značajan pomak kako u oblasti ekologije tako i u energetskoj efikasnosti.
143
13. LITERATURA
1. S. Drndarević: Osnovi energetike, Fizički fakultet, Beograd, 2002 2. H. Požar:Osnove energetike, Školska knjiga, Zagreb, 1978 3. D. Devins:Energy, J. Wiley and sons, New York 1982 4. S. Angrist: Direct energy conversion, Allyn and Bacon, Boston, 1976 5. A. Naumov: Fizika atomnovo yadra i elementarnih častic, Prosvešcenije, Moskva,
1984 6. R. Janev: Kontrolisana temonuklearna fuzija, SFIN 1 (1989), Beograd 7. Encyclopedia of energy, McGraw – Hill book company, New York, 1976 8. V. Knap i P. Kulišić: Novi izvori energije, Školska knjiga, Zagreb, 1985 9. Energetika mira, B. P. Lebedev i P. M. Matko, Energoatomizdat, Moskva, 1989 10. M. A. Stirkoviš i E.E. Špiljrain: Energetika, problemi i perspektivi, Energija,
Moskva, 1981 11. Vanja Martinac: Termodinamika i termotehnika, Sveučilište u Splitu, Kemijsko-
tehnološki fakultet, Zavod za termodinamiku, Split, 2008 12. Technology White Paper on Wave Energy Potential on the U.S. Outer
Continental Shelf Minerals Management Service Renewable Energy and Alternate Use Program U.S. Department of the Interior Available for Downloading at http://ocsenergy.anl.gov, 2006
13. Krishnan R. Ajith, B. S. Jinshah: Magnetohydrodinamic Power Generation, International Journal of Scientific and Research Publications, 3 (6), 2013
14. J. Lilley: Nuclear Physics Principles and Applications, J. Wiley and Sons, 2006 15. K. S. Krane: Introductory Nuclear Physics, J. Wiley and Sons, New York
Singapore, 1988 16. Dušan D. Stanojević, Milorad Tomić: Gorivna ćelija juče, danas i sutra, Hem.
ind. 59 (5-6), 2005, 109-124 17. William W. Bathie: Fundamentals of Gas Turbines, J. Wiley and Sons, 1996 18. C. Julian Chen: Physics of Solar Energy, J. Wiley and Sons 2011 19. Primary cells and batteries, Jaycar Electronics Reference Data Sheet:
Battprim.PDF (1), 2001 20. Racionalno korišćenje energije u funkciji razvoja lokalnih zajednica, Zbirka
dobre prakse, Izdavač PALGO centar, 2010 21. Rachel Chamousis: Hydrogen: Fuel of the future,
http://www.csustan.edu/sites/default/files/honors/documents/journals/Stirrings/Chamoussis.pdf
22. Internal and External Combustion Engine Classifications, http://www.thecartech.com/subjects/engine/Internal_combustion_eng ines3.pdf
