GEOTERMALNA ENERGIJA

Polagano prirodno raspadanje radioaktivnih elemenata u prvom redu Urana i Torija,koji se

nalaze u svim stijenama proizvodi ogromnu termičku energiju.Budući da Urana i Torija ima

najviše u granitnim stijenama,toplina se nešto više razvija u zemljinoj kori nego pod morem i

u stijenama mlađih geoloških formacija.

Difuzija unutrašnje topline vrlo je polagana i izaziva srednji temperaturni koeficijent od 10

po kilometru i to u prvih 100 km od površine.Taj gradijent postepeno raste prema središtu

zemlje.U nekim područjima temperaturni gradijent je veći od srednjeg gradijenta zbog

vulkanskog djelovanja ili je magma bliža površini.

Kada voda u unutrašnjosti zemlje dođe u dodir sa vrućim stijenama ona se brzo ugrije do

nekoliko stotina .Ako su stijene propusne ugrijana voda će se na površini pojaviti kao

vruća ili ključala voda ili kao para.U nepropusnim stijenama zagrijana voda ostaje zatvorena i

ona će se pojaviti na površini samo kroz umjetno stvorenu bušotinu.

Svi izvori hidrogeotermičke energije su u tektonski aktivnim područjima u kojima postoje

uvjeti za pojavom i izvora vodene pare.Budući da je dubina bušenja uz današnju tehnologiju

ograničena na desetak km ispod površine tla samo geotermalna energija u stijenama do te

dubine dolazi u obzir za iskorištavanje.

Geotermalna energija se može upotrijebiti preko toplotnih pumpi u postrojenjima za

proizvodnju električne energije i direktno za grijanje.Formalno geotermalna energija nije

obnovljiva.Ako bi se po osnovu korištenja ove energije temperatura snizila samo za 0,1

raspoloživa geotermalna energija bi se mogla iskoristiti za oko 15 vijekova.

Prednosti geotermalne energije su :

1. Upotrebom geotermalne energije smanjuje se potreba za potošnjom fosilnih goriva

2. Geotermalni izvori su uvijek raspoloživi i neiscrpni

3. Geotermalne elektrane se mogu graditi u širokom opsegu snaga

4. Geotermalna energija se može koristiti kombinovano i za dobijanje električne energije

i za direktno zagrijavanje

5. Potrebna površina za smještanje geotermalnih postrojenja po jedinici instalisane

snage je nekoliko puta manja od površine potrebne u postrojenjima drugih

tehnologija.

Nedostatci su:

1. Nema mnogo lokacija koje su pogodne za direktnu upotrebu geotermalne energije ili

za izgradnju geotermalnih elektrana

2. Geotermalnu energiju je nemoguće transportovati i zbog toga se može koristiti samo

za snadbjevanje toplotom obližnjih mjesta ili za proizvodnju električne energije

3. Problem korištenja je ispuštanje materijalnih gasovaiz dubine zemlje,koji mogu biti

štetni

4. Statistika pokazuje povećani broj potresa u regionima gdje se iskorištava geotermalna

energija.

Primjena geotermalne energije

Geotermalni resursi mogu se predstaviti kao hidrotermalni,suhi geotermalni(vrele stijene) ili

izvori vode (pare) pod pritiskom.

Karakteristike hidrotermalnih resursa određuju koji termalni ciklus će biti upotrijebljen u

geotermalnim elektranama.Ako se raspolaže izvorima suhe pare temperature približno 235

onda se ona direktno koristi za pokretanje turbine.U termalnim elektranama gdje je

temperatura vrele vode iznad 165 primjenjuje se sistem separacije pare (flash steam

ciklus),a ako je ispod 165 koristi se binearni ciklus.

Direktno korištenje suhe pare iz izvora eliminiše potrebu za grijačima i međupregrijačima kao

u klasičnim termoelektranama,tako da se para dovodi direktno na turbinu.

U ciklusu sa separacijom pare voda je iz geotermalnih izvora pod visokim pritiskom a

temperatura je oko 180 .Pumpanjem vode iz izvora snižava se pritisak pa se vruća voda

pretvara u paru koja pokreće turbinu.

U binearnom ciklusu voda je hladnija u odnosu na ostale principe proizvodnje električne

nergije iz geotermalnih izvora.Ovaj ciklus je zatvoreni sistem razmjene toplote u kojem se

vrela voda čija je temperatura niža od 180 koristi se za grijanje medija (sekundarnog

fluida) koji je na nižem pritisku i ima nižu temperaturu ključanja od 100 ta tečnost isparava

i pokreće turbinu.

Toplotna pumpa je uređaj pomoću koga se toplotna energija iz jedne sredine prenosi u drugu.

Za taj prenos troši se određena energija koja je nekoliko puta manja od prenijete.Za utrošeni 1

kWh utrošene energije ukupna dobivena energija je za oko 3-4 puta veća.Geotermalne pumpe

su uređaji za grijanje i hlađenje bilo kojeg zatvorenog prostora.

Pošto je temperatura zemlje na oko 5 m dubine konstantna bez obzira na godišnje doba slijedi

da je temperatura zemlje zemlje ljeti hladnija od vazduha a zimi toplija,pa geotermalne

pumpe mogu da prenose toplotnu energiju geotermalnih izvora u zgradu ili iz zgrade u

geotermalni izvor.

Energija Sunčeva zračenja- Upotreba solarne energije Uvod U jezgri Sunca se odvija nukearna fuzija, proces u kome se vodonik pretvara u helij. Poređenjem masa čestica prije i poslije reakcije zaključuje se da se ukupna masa smanjuje što se manifestuje kao energija. Procjenjuje se da se svake sekunde oko 3 tone mase pretvara u energiju zračenja, koja se emituje u okolni prostor. Dotok energije Sunčevim zračenjem naziva se solarna konstanta . Energija Sunčeva zračenja koja dopire do vanjskog ruba Zemlje ovisno o udaljenosti Zemlje od Sunca iznosi 1307-1399 W/m2 na plohu okomitu na smjer zračenja. Srednja vrijednost Sunčeva zračenja na okomitu plohu naziva se solarna konstanta i iznosi E0sr=1367.7 W/m2 Za različite udaljenosti Zemlje od Sunca stvarna vrijednost Sunčeva zračenja na okomitu plohu je:

gdje je: r – srednja udaljenost Zemlje od Sunca R - stvarna udaljenost Zemlje od Sunca (za promatrani dan može se smatrati konstantnom) Sunčevo zračenje (jakost) može se približno kvantitativno izraziti sa:

gdje je: ε - ekscentricitet elipse, n broj dana u godini Ukupna dnevna količina energije u [J] koja se dobije ozračenjem vodoravne plohe po jedinici površine računa se po izrazu:

ωs - satni kut sunca (12h=00, 13h=150, 15h=450);

Φ- zemljopisna širina promatranog mjesta; δ- deklinacija Sunca (kut između spojnice središta Zemlje sa središtem Sunca i ravnine Ekvatora)

Prosječna mjesečna ili godišnja energija Sunčeva zračenja u nekom mjesecu dobiva se kao aritmetička sredina dnevnih energija za sve dane u promatranom mjesecu/godini. Ipak, pri prolasku kroz atmosferu dolazi do gubitaka energije izravnog Sunčevog zračenja, ovisno o atmosferskim prilikama (vedro, poluoblačno, oblačno) zagađenosti atmosfere i nadmorskoj visini!. Jakost zračenja koja dopire do Zemljine površine, a mogla bi se iskorištavati mijenja se tijekom dana i godine, te ovisi o položaju plohe na koju dopire zračenje. Smanjuje se s smanjenjem nadmorske visine (duži put zraka) i s povećanjem zemljopisne širine (manji upadni kut zračenja). Energija zračenja koja dopire do površine zemlje zavisi u prvom redu od trajanja insolacije (trajanja

sijanja Sunca, odnosno od vremena tokom kojeg se Sunce nalazi iznad horizonta). Razlika između vremena izlaska i vremena zalaska Sunca daje vrijeme trajanja insolacije kojoj je izložena horizontalna i nezaštićena površina. Trajanje insolacije na sjevernom dijelu Jadranskog mora je 2000 sati godišnje, na južnom oko 2700 sati godišnje. Površina Zemlje je 510.1 106 km2 što daje godišnju energiju Sunčeva zračenja od oko 109 TWh/god (ogromno!)No, pri tome postoje veliki problemi pri iskorištavanju: 1. Mala gustoća energetskog toka, 2. Oscilacija intenziteta (jakosti) zračenja tijekom dana, 3. Ovisnost zračenja o klimatskim uvjetima, 4. Intezitet zračenja ne poklapa se s intenzitetom potrošnje, 5. Nemogućnost skladištenja, 6. Trenutna neisplativost (osobito za fotonaponske ili sunčeve ćelije – PV) u usporedbi s ostalim izvorima energije Upotreba energije Sunca Proizvodnja toplinske energije: 1. Pasivno solarno grijanje (Izravno grijanje zgrade kao kolektora) 2. Aktivno solarno grijanje (zagrijavanje vode pomoću solarnih kolektora) 3. Solarne toplinske elektrane Proizvodnja električne energije: 4. Fotonaponske ili sunčeve ćelije (Photo Voltaic Cells, PV) 1. Pasivno solarno grijanje je izravno grijanje zgrade kao kolektora. Osnovni zahtjevi su: 1. Velika južna površina za prihvat sunčeva zračenja. 2. Konstrukcija s velikom termalnom masom (npr. gusti beton ili cigle). Time se sprema toplinska energiju za dana i zadržava preko noći. Izbjegava se i ljetno pregrijavanje. 3. Dobra izolacija na vanjskim strukturama za održavanje topline 4. Izbjegavanje zasjenjavanja objekata. Mehanizmi prijenosa topline: Vođenje (kondukcija) Toplina absorbirana u materijalu se dalje prenosi vođenjem među molekulama. Konvekcija (izmjenjivanje medija) Toplina se može prenijeti preko fluida, bilo plina ili tekućine, konvekcijom. Energija je prenesena na molekule fluida koje se dalje fizički gibaju i prenose energiju.

Radijacija- Toplinska energija se može prenositi zračenjem (elektromagnetski) kao i svjetlosna energija sunca. Količina zračenja i valna duljina ovise o temperaturi površine. 2. Aktivno solarno grijanje Zagrijavanje vode pomoću solarnih kolektora, moguće primjene grijanje vode u domaćinstvima, bazena i kupatila, procesne vode, dogrijavanje za kondicioniranje zraka Indikatori potencijalno isplativih primjena solarnog zagrijavanja vode: 1. Potreba za toplom vodom konstantna kroz tjedan i godinu (ili više ljeti). 2. Visoka cijena ostale energije (el. energija, propan, itd.). 3. Dovoljno površine za postavljanje kolektora (0,025 m2/lWd). 4. Sunčanija klima pomaže, ali nije nužnost – solarno grijanje moguće i u hladnijoj klimi. Potencijalne lokacije: kuće za stanovanje, škole, bolnice, restorani, zatvori, praonice, ostalo. Tehnološka rješenja za aktivno solarno grijanjesu solarni toplinski kolektori: preuzimaju energiju svjetlosnog zračenja i griju vodu.Solarni toplinski kolektori se mogu kategorizirati prema temperaturi na kojoj efikasno griju vodu: 1. Niskotemperaturni kolektori: Bez pokrova za grijanje vode. Perforirane ploče za predgrijavanje zraka. 2. Srednjetemperaturni kolektori: Izolirani kolektori s pokrovom. 3. Visokotemperaturni kolektori: Vakumirane cijevi. Koncentrirajući kolektori. Solarno kolekori su uređaji koji prikupljaju Sunčevu energiju i pretvaraju je toplotnu.Pošto se toplota prenosi sa jednog medijuma na drugi, može se reći da je solarni kolektor izmjenjivač toplote. Korektna procjena količine energije koja se može dobiti na kolektoru u tijesnoj je vezi sa osobinama materijala od koga je kolektor napravljen. Sunčevo zračenje prolazi kroz proziran poklopac i dolazi do termičkog prijemnika. Poklopac je od stakla sa malim sadržajem gvožđa, čime se obezbjeđuje visoka propustljivost i smanjuju toplotni gubici. Optičke karakteristike prijemnika toplote moraju što je više moguće odgovarati osobinama crnog tijela., naročito u pogledu apsorbovanja. Stupanj korisnog djelovanja (efikasnost) kolektora

Procjena isplativosti solarnog sistema grijanja vode vrši se na sljedeći način 1. Procjeniti dnevne potrebe za toplom vodom 2. Odrediti raspoloživu solarnu snagu 3. Izračunati dimenzije solarnog sistema (zadovoljiti potrebe za najsunčanijeg dana, bolje poddimenzionirati) 4. Izračunati godišnju uštedu u energiji 5. Izračunati godišnju uštedu u novcu 6. Izračunati cijenu sustava 7. Izračunati omjer uštede prema investiciji i jednostavni period povrata Primjeri isplativih solarnih toplinskih sistema Niske temperature: bazeni, jezera za uzgajališta, predgrijavanje za ventilaciju, pranje auta i sl., otapanje snijega. Srednje temperature: stambena i komercijalna topla voda, kafeterije, praonice, zagrijavanje prostora (površina koja zrači), zatvori, rekreacioni centri, javne ustanove (vrtići i sl.). Visoke temperature: industrijski procesi, proizvodnja el. energije, zagrijavanje vode i prostora. 4. Fotonaponske (sunčeve ili solarne) ćelije (vrše direktnu proizvodnju električne energije) Fotonaponska pretvorba Fotonaponska pretvorba je direktna pretvorba sunčevoga svjetla u električnu struju preko fotonaponske (PV) ćelije, za koju je uobičajeni naziv solarna (ili sunčeva) ćelija. Fotonaponska ćelija je poluvodički element koji se obično pravi od silikonske legure, tj. legure Silicija (ili drugog

poluvodiča). Sunčevo svjetlo se sastoji od fotona (dijelova solarne energije). Fotoni sadržavaju različite količine energije koje odgovaraju različitim duljinama valova solarnoga spektra.Kada fotoni pogode fotonaponsku ćeliju, oni se mogu reflektirati od nje proći direktno kroz nju ili biti apsorbirani (upijeni).Samo apsorbirani fotoni daju energiju za proizvodnju električne struje. Kada poluvodič apsorbira dovoljno sunčevog svjetla (energije), elektroni se istiskuju iz atoma materijala. Elektroni napuštaju njihovu poziciju, oblikuju se šupline. Elektroni (neg. naboji) putuju prema prednjoj površini ćelije: neravnoteža naboja između ćelijine prednje i stražnje površine - naponski potencijal. Poput baterije – površine se spoje izvana i poteče struja.

Fotonaponski sistem (ćelija, modul i niz) Fotonaponska ćelija je osnovni gradivni blok fotonaponskog (PV) sustava. Individualne ćelije variraju od oko 1 - 10 cm (0.5 - 4’’). Jedna ćelija proizvodi samo 1 ili 2 W, premalo za većinu primjena: električno se povezuju u modul zaštićen od atmosferskih utjecaja. Moduli se mogu dalje povezati da bi oblikovali niz. Niz: cjelokupno proizvodno postrojenje, sastavljeno od jednog do nekoliko hiljada modula (ovisi o potrebnoj izlaznoj snazi) Osnovne prednosti upotrebe su: 1. Fotonaponska pretvorba je direktna - veliki mehanički sistem generatora nisu potrebni. 2. Modularna karakteristika – moguće brzo i u dopuštenim veličinama instaliranje nizova (moguće postupno povećanje snage). 3. Korištenje i održavanje jednostavno - solarne ćelije nemaju pokretnih dijelova, nije potrebna koncentracija zracenja, solarne celije iskorištavaju i izravno i raspršeno zracenje Sunca. Upotreba fotonaponskih panela: 1. Samostalni izvor energije (off-grid): Sateliti (u svemiru snaga sunčeva zračenja i dobivena energija puno veća jer nema apsorbcije kroz atmosferu), Zemaljska primjena: a) industrija: za potrebe tehnoloških procesa b) ostali potrošači: cestovni znakovi, kalkulatori, ručni satovi, i sl. c) elektrifikacija ruralnih područja 2. Dodatni izvor energije na mreži (on-grid).

Energija vjetra Postanak Vjetar je posljedica djelovanja Sunca (oko 50%-tna konvertirana Sunčeva energija). Čist izvor energije – ne proizvodi CO2, ne zagađuje, brzo isplativa investicija, štete (ptice, okolina) male i mogu se kontrolirati. Vjetar - masa zraka u pokretu, uzrokuje ga razlika tlakova (rezultat razlike temperatura). Pri tome kretanje zraka može biti vertikalno i horizontalno. Na vjetar utječe rotacija Zemlje i konfiguracija tla. Energija vjetra je kinetička energija (ovisi o kvadratu brzine vjetra): W = 1/2·m·v2 Brzina vjetra se vrlo brzo povećava s visinom iznad tla – omjer brzina se približno računa kao peti korijen omjera visina iznad tla.

Brzina vjetra je data sa:

Gdje su: u, v, i w zonalna, meridionalna i vertikalna komponenta brzine vjetra Zonalna znači “smjer istok-zapad”, meridionalna znači “duž meridiana ili “sjever-jug smjer” Brzina vjetra je pod uticajem raznih faktora kao što su pritisak zraka, lokalni vremenski uslovi, Rossbyevi talasi (jaki vjetrovi koji dolaze iz troposfere). Snaga vjetra Ako se razmatra “paket” zraka mase m koja se kreće brzinom v, njegova kinetička energija će biti:

Kako je snaga energija kroz vrijeme onda je snaga mase zraka koja se kreće brzinom v kroz površinu A:

Količina mase zraka m˙ , kroz područje A, je proizvod gustine zraka ρ, brzine v, i poprečnog presjeka A:

Gdje je : Pw je snaga vjetra u W; ρ je gustina zraka (kg/m3). A je poprečni presjek sekcije zraka kroz koju vjetar prolazi (m2); v = brzina vjetra okomita na površinu A(m/s). Maksimalna energija vjetroturbine:

Maksimalna energija koja se može dobiti zračnom turbinom je 0.59259 maksimalne teorijske energije vjetra. Maksimalni stupanj djelovanja zračne turbine je 0.65 (konstruktivni razlozi), a stupanj djelovanja generatora 0.8, gustoća zraka je 0,625, pa za maks. energiju vjetroelektrane vrijedi: Konstruktivna rješenja i podjela vjetroelektrana Osnovni tipovi tehnoloških rješenja vjetroelektrana su:

1. male snage od 1-30 kW 2. srednje i velike snage od 30 kW -1500 kW 3. na pučini snage preko 1500 kW.

Konstrukcije savremenih vjetrogeneratora omogućavaju proizvodnju el.energije pri brzinama od oko 20km/h (5,5 m/s) do oko 140 km/h (40 m/s). Lopatice turbine su slične elisama klipnih aviona: Struja vazduha stvara silu uzgona na lopatice i mehanički moment tako da se kinetička energija vjetra pretvara u kinetičku energiju rotora turbine a onda posredstvom multiplikatora broja obrtaja (mjenjačka kutija) i generatora u el.energiju. Vjetroturbina pokreće generator pri čemu je za veće snage to trofazni sinhroni generator a za manje asinhroni generator. Najčešće primijenjene konfiguracije vjetroagregata klasificiraju se prema njihovoj sposobnosti za regulaciju brzine i po sposobnosti kontrole snage koja se koristi za njihov pogon.. Konfiguracije vjetroturbina mogu biti dodatno klasificirane prema načinu upravljanja snagom, elisom ili lopaticom: vjetroturbine sa aerodinamičkim prigušenjem, vjetroturbine sa zakretom lopatica i vjetroturbine sa aktivnim aerodinamičkim prigušenjem . Vjetroelektrane (VE) – problemi u radu na mreži Velika varijabilnost i slaba predvidljivost brzine vjetra predstavlja ograničenja pri integraciji u mrežu. Velika varijabilnost može se smanjiti instaliranjem VE na širokom području. Slaba predvidljivost korištenjem poboljšanih metoda predviđanja vremena (vjetra). Moguća i bolja regulacija upotrebom VE s kontrolom nagiba lopatica i varijabilnom brzinom VE mogu smanjiti potrošnju goriva u TE, ali ne mogu smanjiti njihovu izgradnju jer ne mogu jamčiti proizvodnju električne energije u kritičnim razdobljima – problemi s frekvencijom, smetnje i nestabilnost. Moguća upotreba kao vršnog izvora energije.. Uticaj vjetroelektrana na okolinu Vjetroelektrane imaju pozitivne i negativne uticaje na okolinu. Negativni efekti se vežu za stradanja ptica, buku, konstrukcijske poremećaje, estetski uticaj i zagađenje vezano za proces proizvodnje i instaliranje turbine. Pozitivni uticaji su ti da se sa drugim načinima proizvodnje električne energije mnogo više zagađuje okolina nego sa energijom vjetra. Prijašnje vjetrenjače su imale male turbine sa oštricama koje su se obrtale brzo i stradanja ptica bila su češća, ali modernije veće turbine se okreću tako sporo da ih ptice mogu lako izbjeći

3

3

193.0625.08.065.059259.0

vAvAW

⋅⋅=

⋅⋅⋅⋅⋅=

OBNOVLJIVI OBLICI ENERGIJE-vodne snage (hidro-energija)

Energija vode (hidroenergija) je najznačajniji obnovljivi izvor energije, a ujedno i jedini koji je ekonomski konkurentan fosilnim gorivima i nuklearnoj energiji. Korištenje hidroenergije ima svoja ograničenja. Ne može se koristiti posvuda jer podrazumijeva obilje brzo tekuće vode, a poželjno je i da je ima dovoljno cijele godine, jer se električna struja ne može jeftino uskladištiti. Da bi se poništio utjecaj oscilacija vodostaja grade se brane i akumulacijska jezera. Veliki problem kod akumuliranja vode je i zaštita od potresa. Energija vodotokova (energija položaja vode-potencijalna i energija kretanja vode-kinetička) su posljedica djelovanja Sunčeve energije (SE)koja kao toplinska (TE) dopire do Zemljine površine izaziva isparavanje vode, tla i bilja, što uzrokuje podizanje vode. Energija položaja (EP) vode je početni oblik energije vode u prirodi koji se može iskoristiti u tehničkim pretvorbenim sistemima.Oblici energije položaja vode: vodotoci, plima i oseka, morski valovi. Osnovni način upotrebe: pretvorba energije položaja (EP) vode (potencijalna u akumulacijama) i kinetičke energije vode (protočne) u mehaničku energiju (ME) protjecanjem kroz vodne turbine, a potom najčešce u električnu u generatorima. Podignuta voda (usljed padavina) ima potencijalnu energiju Od oborina samo dio stiže u vodotoke. Ostalo preuzimaju biljke ili se neposredno isparava, a veliki dio odlazi u unutrašnjost tla pa se s većim ili manjim zakašnjenjem javlja na površini u nekom vodotoku.Za svaku tačku vodotoka je moguće na osnovu topografije zemljišta odrediti površinu zemljišta (oborinsko područje) s kojega dotječe u vodotok. Omjer količine vode koja se tokom godine javlja u vodotoku i količine padavina na oborinsko područje nazivamo faktor otjecanja. Hidroelektrane (HE): postrojenja u kojima se energija položaja pretvara u električnu energiju. Količina vode koja pritječe u vodotoke definira se sa:

Ovisnost količine vode u vodotocima ovisi o: količini oborina, sastavu i topografiji tla, vremenskom rasporedu oborina.Osnovno mjerenje razine vode u vodotoku: vodostaj ili pad vode H [m] određuje se pomoću vodokaza. Protok za jedan vodotok Q u nekoj godini je varijabilnog karaktera. Protok Q se mjeri za određeno mjesto i za sve očekivane vodostaje H. Svakom profili vodotoka odgovara određena kota H (visina iznad mora) i određeni srednji višegodišnji protok Q, pa se svaki vodotok može prikazati Q-H dijagramom vodotoka.

Svakom profili vodotoka odgovara određena kota H i određeni srednji višegodišnji protok. Ako se na padu dH koristi protok Q, dobija se snaga:

To je srednja snaga koju voda ima u promatranom vodotoku.

Mogućnost pretvorbe energije položaja u el. Energiju ovisi od poznavanja količine vode vodotoka u vremenu H =f(Q). –konsumpciona kriva. Konsumciona kriva podrazumijeva istovremeno mjerenje protoka na određenom mjestu vodotoka, odnosno na određenom profilu. Krivulja je ovisna od oblika korita na mjestu vodokaza.

[ ]

[ ]kW 81.9

kW 81.92

1

∫⋅=

⋅⋅=H

H

QdHP

dHQdP

Ukupna količina vode koja proteče kroz promatrani profil vodotoka

Srednji godišnji protok vodotoka

Veličina izgradnje: Maksimalni protok Qi koji može HE propustiti kroz pretvorbeni system

Tehnički iskoristiva energija vodotoka smanjena je zbog trenja u dovodima (tunel,tlačni cjevovod), te gubitaka protoka, što se definira kroz netto pad Hn (netto pad = brutto pad – gubici). Srednja iskoristiva snaga (netto snaga) koju hidroelektrana daje na priključcima generatora, može se odrediti iz jednadžbe:

nsitg HQPgηη81.9=

ηt i ηg stupanj korisnog djelovanja turbine i generatora Hn raspoloživi netto pad [m] Qsi srednji iskoristivi protok Hidroelektrane (HE)

Postrojenja u kojima se energija položaja vode pretvara u električnu energiju. HE se sastoji od objekata i dijelova koji služe za skupljanje i odvođenje vode, pretvorbu energije položaja vode u mehaničku odnosno električku energiju te transformaciju i razvod električke energije. Karakteristični dijelovi HE: brana ili pregrada, zahvat, dovod vode, vodna komora ili vodostan, tlačni cjevovod, strojarnica (vodne turbine i generatori), odvod vode. Uvjeti izgradnje HE: topografski i geološki uvjeti, pogonski zahtjevi, hidroenergetsko iskorištenje vodotoka, uvjeti poljoprivrede i opskrbe vodom, ribarstvo i ekologija. Podjela HE: Prema padu: 1. Niskotlačne (do 25 m), 2. Srednjetlačne (25 - 200 m), 3. Visokotlačne (> 200 m) Prema načinu korištenja vode: 1. Protočne (voda se koristi kako dotječe) 2. Akumulacijske (dio akumulirane vode koristi se prema potrebi) 2.1. Dnevna akumulacija (punjenje po noći, pražnjenje po danu) 2.2. Sezonska akumulacija (punjenje u kišnom, pražnjenje u sušnom periodu) Po definiciji protočne hidroelektrane su one koje nemaju uzvodnu akumulaciju ili se njihova akumulacija može isprazniti za manje od dva sata rada kod nazivne snage. Postoje dvije izvedbe akumulacijskih hidroelektrana:pribranska i derivacijska. Pribranska se nalazi ispod same brane, a derivacijska je smještena puno niže od brane i cjevovodima je spojena na akumulaciju. Posebne vrste HE: 1. Crpno-akumulacijske - dnevna akumulacija (crpljenje u razdobljima viška energije u elektroenergetskom sistemu) - sezonska akumulacija (crpljenje u kišnim razdobljima, korištenje u sušnim razdobljima) 2. HE koje koriste promjenu razine mora (plima i oseka).

Slika : princip rada pumpno.akumulacione HE Elektrane sa sistemom pumpno akumulacionog spremnika ili rezervoara kao i ostale hidroelektrane, jako se dobro nose sa promjenama opterećenja.

Vrste vodnih turbina:

• Pretlačne (reakcione) turbine 1. Francisova (konstruirao Amerikanac Francis 1848.) 2. Kaplanova (konstruirao Ceh Kaplan 1912.) 3. Propelerna (Kaplanova s nepomičnim rotorskim lopaticama)

• Turbine slobodnog mlaza (akcione) Peltonova (konstruirao Amerikanac Pelton 1878.)

Hidrosistemi (HE): veliki, mali, mikrosistemi – dimenzije su zavisne od snage. Elektrane na plimu i oseku Energija plime i oseke ima potencijal za stvarnje električne energije u određenim dijelovima svijeta, odnosno tamo gdje su morske mijene izrazito naglašene. Za ekonomičnu proizvodnju je potrebna minimalna visina od 7 m. Najjednostavnije iskorištavanje- ugradnja turbina koje rade samo u jednom smjeru strujanja vode. Četiri faze pogona:

1. Punjenje bazena sve do maksimuma plime 2. Razina mora opada a voda ostaje na maks koti 3. Turbina je u pogonu 4. Obustavljanje pogona turbine kada se dostigne min razina vode.

Podjela plimnih elektrana Konvencionalne – Brane sa dvosmjernim propuštanjem vode (turbine kroz koje voda može strujati kako u jednom tako i u drugom, suprotnom smjeru) Nekonvencionalne -Rad ovih elektrana u principu je isti kao kod vjetroelektrana, jedino što kao fluid umjesto zraka služi voda.

1.U prvoj etapi pogona zatvara se zapornica i voda u bazenu ostaje na određenoj koti, a razina mora otpada. 2. Kada razina mora postane toliko niska da postoji dovoljna razlika kota (odnosno dovoljan pad) pa se tako potencijalna energija vode nagomilane u bazenu pretvara u mehaničku, a ova u električnu energiju, sve dok razlika pada omogućava rad turbine. 3. Turbina se zaustavlja kada se postigne minimalni pad, ali se bazen nakon toga dalje prazni kroz zapornicu, da bi se u njemu postigla što niža razina, kako bi se ostvario što veći pad za etapu pogona u obrnutom smjeru. 4. Kada se izjednače-razine u bazenu i moru počinje crpljenje vode iz bazena u more da bi se što niže snizila razina vode u bazenu. 5. Kada se postigne kota koja odgovara nižoj koti mora, obustavlja se rad crpki, pa bazen ostaje na konstantnoj razini sve dok se ne postigne takav pad kod kojeg će turbina moći raditi u obrnutm smjeru. 6.Nakon toga stavlja se turbina u pogon koristići vodu iz mora prema bazenu sve dok se postigne minimalan pad kod kojeg turbina može raditi. 7. Zatim se turbina obustavlja, otvara se zapornica da bi se dalje punio akumulacijski bazen

Elektroenergetski sistem Istorijski razvoj Razvoj EES-a možemo opisati kao svojevrsan fenomen. U zadnjih 30 godina prošlog stoljeća u razvijenim zemljama bilježimo porast potrošnje električne energije od 400%. Predpostavlja se da je po stanovniku instalirana snaga veća od 3kW. Iako su počeci upotrebe električne energije vezani za Europu najznačajnije godine za razvoj EES-a su: 1881.: Edison Electric Iluminating Company Of NewYork stavlja u pogon četri kotla od 250 KS, koji pokreću šest agregata i napajaju 110V DC podzemnu kabelsku mrežu. 1882 .: Prva HE u Appleton Wisconsin 1886 . Prvi transformator (Budimpešta) 1888 . Nikola Tesla predstavlja indukcijski motor i otvara prostor izmjeničnom prijenosu i distribuciji električne energije 1889 .: Instaliran je prvi jednofazni sustav u Oregonu 1893.:Southern California Edison Company postavlja trofazni 2300V sustav 1895.: HR -prva HE Jaruga 1, rijeka Krka, instalirana snaga 2 MW USA - Philadelphia ima oko 20 poduzeća za proizvodnju el.en. Sistemi rade na 100V i 500V istosmjerno koristeći dva vodiča, te na 220V izmjenično s tri vodiča; jednofazno, dvofazno, trofazno na frekvencijama 60, 66, 125 i 133Hz napajajući potrošače pri 1000-1200V ili 2000-2400V. 1900 .: Razvojem gumom, papirom i olovom izoliranih kabela podzemna (kabelska) distribucija el.en. prelazi vrijednosti 5kV. 1954.:Švedska pušta u pogon 60 milja istosmjernog 100kV kabela u pogon. To je prva veza na visokom naponu. 1973 .: Počinje era generatorskih postrojena veličine preko 1 GW (1.3 GW Cumberland Station of the Tennessee Valley Authority). 1990.: Granica napona prijenosne mreže doseže 1100kV izmjenično i 800kV istosmjerno Elektroenergetski sistem (EES) je konekcija velikih razmjera koji se poopćeno gledajući sastoji od četiri podsistema:

Proizvodni (pod)sistem Prenosni (pod)sistem Distribucijski (pod)sistem Potrošački (pod)sistem

Proizvodni podsistem se sastoji od trofaznih sinhronih generatora napona i do 30kV u kombinaciji s transformatorima neophodnim za povećane naponskog nivoa u svrhu smanjenja gubitaka prijenosa. Prenosni sistem služi za transport električne energije koji se odvija s naponima većim (ili jednakim) od 110kV (220 kV, 400 kV i više) Vrijednosti napona preko 230kV spadaju u područje iznimno visokog napona. Distribucija se odvija na nižim naponskim razinama (10 kV, 20 kV i 35 kV) i to 70% kabelskim putem - gradska mreža. Nadzemni vodovi koriste se uglavnom u ruralnim područjima. Osnovna zakonitost EES-a je proizvodnja u svakom trenutku mora odgovarati zahtjevu potrošača. Potrošač je zapravo ključna karika koja reguliše razvoj EES-a. Proizvodnja električne energije u svakom trenutku mora biti izjednačena s potrošnjom uvećanom za neizbježne gubitke u mreži, što pred EES postavlja složenu regulacijsku zadaću, koju taj sistem mora osigurati (inače bi se urušio). Potražnja električne energije u svakom trenutku drukčija, većim djelom podložna statističkoj zakonitosti (predvidiva), ali djelomice stohastička (ovisi o ponašanju potrošača).

Proizvodnja (± Regulacija) = Potrošnja + Gubici

Potrošnja (dijagram opterećenja) U EES postoji velik broj potrošača različitih karakteristika, zbog kojih se i potražnja tijekom dana mijenja. Tim promjenama mora biti prilagođen EES s elektranama koje su u njega uključene. Osnovu za upoznavanje zahtjeva potrošača, a prema tome i polaznu tačku za projektovanje, izgradnju i pogon elektrana, predstavlja dnevni dijagram potražnje odnosno opterećenja. Dnevni dijagram potražnje (opterećenja) pokazuje kako se potražnja (opterećenje) mijenja tijekom dana. O dnevnom dijagramu za potražnju govori se kad se promatra promjena sa strane potrošača, a o dnevnom dijagramu opterećenja kad se gleda sa strane elektrana, rasklopnih postrojenja ili vodova. Dnevni dijagrami u svakom EES imaju svoj karakterističan oblik koji ovisi o danima u sedmici, o godišnjem dobu, o vrsti potrošača, o razvijenosti zemlje itd. Pomoću triju podataka: Pmin, Pmax, Wd mogu se odrediti dvije veličine koje karakteriziraju dnevni dijagram opterećenja: Dnevni faktor opterećenja m: definiran je kao omjer između energije Wd i energije koja bi se mogla proizvesti snagom Pmax tijekom 24 sata

Omjer minimalnog i maksimalnog opterećenja m0:

Na osnovi analize ostvarenih dijagrama opterećenja može se pokazati da između faktora opterećenja m i veličine m0 postoji približan odnos:

Proizvodnja (elektrane) Elektrane su postrojenja za proizvodnju većih količina električne energije. Za pogon generatora kao izvora električne energije predviđeni su u svakoj elektrani pogonski strojevi (vodne turbine, parne turbine, plinske turbine, motori sa unutrašnjim izgaranjem, elisa za pogon vjetrom). Osim pogonskih strojeva i generatora (pogonski stroj i generator čine agregat), postoje i ostali uređaji i naprave koji su potrebni za pogon tih strojeva, za regulaciju, kontrolu, upravljanje i druge namjene. Osnovna podjela elektrana:

Hidroelektrane (HE), Termoelektrane (TE) Vjetroelektrane (VE)

Hidroelektrane: postrojenja u kojima se potencijalna energija vode pretvara u električnu (i elektrane koje se koriste plimom i osekom.) Termoelektrane: postrojenja koja upotrebljavaju različita goriva ili toplinu Zemlje za proizvodnju električne energije (parne, dizelske, plinske, nuklearne i geotermalne elektrane). Vjetroelektrane: iskorištava se kinetička energija zraka. Osnovni zadatak elektrana: proizvesti potrebnu količinu energije u trenutku kad je potrošač traži. S obzirom da ne postoji mogućnost akumuliranja većih količina električne energije, proizvodnja električne energije mora u svakom trenutku biti jednaka potražnji. Elektrane trebaju biti u mogućnosti udovoljiti tom zahtjevu. Danas se elektrane rijetko grade kao izolirana postrojenja, već kao dio nekog EES, a način njihovog rada ovisi o radu drugih elektrana i o potražnji svih potrošača u sistemu. Elektrane koje pokrivaju potrošnju prikazanu gornjim dijelom dnevnog dijagrama opterećenja nazivaju se vršnim elektranama, a one koje imaju zadatak da rade za potrošnju u donjem dijelu dijagrama, temeljnim elektranama.

Prenos i distribucija Osnovna uloga rasklopnih postrojenja, prijenosnih i razdjelnih mreža je da u svakom trenutku osiguraju dobavu energije od izvora (elektrana) do potrošača kako sa količinom tako i kvalitetom električne energije. Dopremanje proizvedene energije od izvora do potrošača može se izvesti na više načina. Jedan od njih je da se svaki potrošač priključi direktno na izvor, međutim to je iako tehnički izvedivo ekonomski neprihvatljivo, a drugi način je da se između potrošača i izvora izgradi električna mreža na koju se može izvršiti priključak izvora i potrošača na bilo kojem mjestu. Ovaj drugi način je ekonomski i tehnički prihvatljiviji, jer omogućava priključivanje izvora električne energije koji najčešće nisu locirani u blizini potrošačkih centara, dok se sigurnost opskrbe mnogostruko povećava. Naime, ako dođe do ispada nekog izvora njegovu ulogu može preuzeti drugi tako da potrošač to niti ne osjeti. Kvar na nekom prenosnom elementu mreže (vodu, rasklopnom postrojenju itd.) dovodi istog do ispada iz pogona. Prenos energije se u tom slučaju vrši pomoću drugih elemenata mreže. Kada je riječ o mrežama uvijek se podrazumijeva da u mreži postoje čvorne tačke. Ove tačke moraju biti tako koncipirane da se u svakom trenutku na njih može priključiti potrošač ili izvor direktno ili indirektno preko nekog prenosnog sistema na tehnički i ekonomski zadovoljavajući način Elementi postrojenja (čvorova)

• Sabirnički i spojni vodiči, izolatori • Kabeli u postrojenjima • Rastavljači, prekidači, sklopke, osigurači • Odvodnici prenapona • Mjerni transformatori (strujni i naponski) • Energetski transformatori u postrojenjima • Prigušnice, kondenzatori, otpornici

Budući da se radi o velikim snagama, odnosno velikim strujama i visokim naponima, potrebno je čvorne tačke posebno izvesti. U tu svrhu svaka čvorna tačka ima rasklopno postrojenje koje može biti sa ili bez transformacije napona. Dakle, osnovna uloga ovih potrojenja je ta da osigura spajanje postojećih vodova s mogućnošću priključka novih, te po potrebi da povezuje mreže različitih naponskih nivoa preko transformatora. Osim toga, rasklopna postrojenja postoje u elektranama, u kojima im je zadatak da raspoređuju energiju proizvedenu u generatorima na vodove

koji povezuju elektranu s mrežom, a postoje i kod većih potrošača gdje služe za preuzimanje energije iz mreže. Energetski transformatori U manjim mjestima, snaga transformatora na stupnim trafostanicama 10/0,4 kV je veličine 125 ili 250 kilovoltampera (kVA). Kabelske trafostanice u gradovima imaju transformatore od 400 i 630 kVA. Srednjonaponske trafostanice 35/10 kV imaju jedinice od 4 i 8 MVA. To su redovi veličina snaga uobičajenih za distribucijske mreže. U današnjoj prijenosnoj mreži, uobičajene su snage energetskih transformatora 110/35, 110/20 i 110/10 kV od 20 i 40, te najviše 63 MVA, transformatora 220/110 kV od 150 MVA, transformatora 400/110 kV od 300 MVA i transformatora 400/220 kV od 400 MVA. To su tzv. mrežni transformatori. Generatorski transformatori povezuju generatore u elektranama na mrežu i njihov je primarni napon određen naponom generatora (najčešće 10 ili 15 kV), sekundarni napon naponom mreže na koju su priključeni, a snaga je određena snagom generatora, odnosno elektrane. Prenosne mreže imaju ulogu da povežu potrošačke centre s izvorima električne energije. Dakle, obično se radi o prenosu veoma velikih snaga. Da bi se ove snage mogle prenijeti mora se ići na veće naponske razine (110, 220 i 400 kV u BiH). Prema tome, ove mreže se još nazivaju i visokonaponskim (VN) mrežama. Naime, aktivni gubici na nekom vodu su: Pg = I2·R gdje je: I – struja koja teče tim vodom, R – aktivni otpor voda. Aktivni gubici ovise o kvadratu struje, stoga da bi se isti smanjili potrebno je smanjiti struju s time da nam prenosna snaga ostane nepromjenjena - povećanjem naponske razine dotičnog prijenosa. Prenos električne energije na visokonaponskim nivoima zbog ekonomičnosti izvodi se gotovo isključivo pomoću nadzemnih vodova (dalekovoda). Razdjelne (distributivne) mreže imaju zadatak da dopreme energiju od prenosne mreže do potrošača. Ove mreže prenose relativno manje snage, pa su zato nižeg napona (35, 20 i 10 kV). U urbanim sredinama (gradovima) razdjelne se mreže izvode uglavnom polaganjem kabela pod zemlju. Povećanjem potrošnje i razvoje elektroenergetskog sistema razdjelne mreže se izvode sa sve višim naponima. Tako danas razdjelne mreže imaju naponske nivoe koje su prije nekoliko godina bile isključivo rezervirane za prenosne mreže. Regulacija (upravljanje) Kompleks proizvodnje, prijenosa, razdiobe (distribucije) i potrošnje električne energije jedan je od najsloženijih postojećih fizičkih sistema. Za njegovo pravilno funkcioniranje potrebno je održavati dinamičku ravnotežu na više nivoa, što se može ostvariti kvalitetnim procesnim upravljanjem. Moderni elektroenergetski sistemi imaju hijerarhijsku strukturu:

prozvodnja prenos

distribucija potrošnja

Konkretni zadaci upravljanja sistemom su naravno po hijerarhijskim nivoima različiti, ali se na svakom nivou mogu odijeliti aktivnosti koje se odnose na pripremu pogona, na operativno

upravljanje pogonom i na analizu pogona, a koje su u tijesnoj međusobnoj vezi. S gledišta sigurnosti, kvalitete i ekonomičnosti mogu se razlikovati: normalno, ugroženo i opasno pogonsko stanje sistema. Pri tome je za upravljanje potreban neprekidan proces prenosa, pohranjivanja i obrade velikog broja informacija, što obavezno zahtijeva snažnu računarsku podršku.

Energetski bilans: statistika posebnog oblika kojom se prate tokovi energije od njezine pojave u energetskoj privredi promatranog područja do predaje neposrednim potrošačima. Tokovi svih oblika energije:

1. Prirodni oblici energije 2. Energetske pretvorbe 3. Uvoz-izvoz različitih oblika energije 4. Vlastita potrošnja 5. Gubici energije u transportu i distribuciji 6. Opskrba neposrednih potrošača.

Energetski bilans se izražava u apsolutnim jedinicama karakterističnim za pojedine oblike energije i u zajedničkoj jedinici J (ili za električnu energiju Wh). Preračunavanje se ostvaruje umnoškom količine goriva i ogrijevne vrijednosti (moći) pojedinih oblika energije.