Vsebina: VIRI PRIMARNIH GORIV GORIVAlab.fs.uni-lj.si/kes/energije_in_okolje/eo-predavanje-E3.pdf · Energija in okolje 3 Viri in vrste primarnih energij ... svet Evropa in Evrazija

Vsebina:

• VIRI PRIMARNIH GORIV

• GORIVA

– vrste, karakteristike, lastnosti, sestava, transport

• PRODUKTI ZGOREVANJA

• UPORABA GORIV IN POSLEDICE NA OKOLJU

Predavanje # 3

Karakteristike goriv, njihova uporaba in posledice na okolju

Energija in okolje 2

Energetski viri

Viri primarnih energij


Viri in vrste primarnih energij

• sončna energija

– direktna vpadla sončna energija:

• sprejemniki toplote

• sončne celice

– indirektna vpadla sončna energija

• biomasa

• geodetska potencialna energija vodnih

mas

• energija vetra

• energija morja

– energija morskih tokov

– energija valov

– notranja energija morja

• kalorična notranja energija zemlje • geotermalna voda

• vroče zemeljske plasti

• gravitacijska energija • energija bibavice

Obnovljive primarne energije

• jedrska energija

– jedrska fizija (cepitev težkih atomskih

jeder – U235, izotop urana)

– jedrska fuzija (spajanje lahkih atomskih

jeder – H2 devterij, H3, tritij)

• notranja, kemično vezana energija

fosilnih goriv

– trda goriva:

• črni premog

• rjavi premog

• lignit

• šota

– plinasta goriva

• zemeljski plin

– kapljevita goriva

• nafta

• kemično vezana energija odpadkov • nenevarni komunalni odpadki

Neobnovljive primarne energije


premog

nafta

zemeljski plin

jedrsko gorivo

lesna biomasa

vodna energija

energija vetra

nova biomasa

sončna energija

geotermalna energija

odprto

10

tce

9

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060

0

10

20

30

40tce ... tona premogovega ekvivalenta

1 tce = 29,3 GJ

Raba primarnih virov energije

ENERGETSKA OSKRBA VČERAJ, DANES IN JUTRI


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

4

6

8

10

12

21002000190018001700

2

obnovljivi viri(voda, veter, les, odpadki)

premog

nafta

plin

fizija

fuzija

leto

po

razd

elite

v p

ora

be

pri

mern

ee

ne

rgij

e v

%p

reb

iva

lci

na

Ze

mlj

i v

milij

ard

ah

RAST PREBIVALSTVANA ZEMLJI

Raba primarnih virov energije


Struktura porabe primarne energije v svetu v obdobju 1990-2000

Nafta; 31,8%

Premog; 26,1%

"Novi" obnovljivi

viri; 2,3% Tradicionalni

obnovljivi viri;10,2%

Večji hidro;

5,7%

Jedrska; 4,5%

Zemljski plin;

19,3%


Fosilna goriva

Fosilna goriva


Poraba in razpoložljivost zalog fosilnih goriv

1toe = 42 GJ →tona

naftnega ekvavilenta

Ocena komulativne

proizvodnje do 2000

[Gtoe]

Ocena dokazanih

rezerv v letu 2000

[Gtoe]

Ocena rezerv leta

2000 glede na letno

porabo [leta]

Premog

(brez lignita)

ni podatkov 496 200

Lignit ni podatkov 110 300

Nafta 86 137 40

Zemeljski plin 40 108 60

Podatki Svetovnega energetskega kongresa


Statistično predvidevanje trajanja zalog goriv

RJAVI PREMOG

LET

ČRNI PREMOG

URAN

ZEMELJSKI PLIN

konvencionalni

konv. + nekonv.

NAFTA

konvencionalni

konv. + nekonv. vse potrjene

zaloge

komercialne

zaloge

Statistične zaloge goriv:

– za koliko let zadoščajo poznane zaloge goriv ob upoštevanju vsakokratne letne porabe

posameznega nosilca energije


Končnost zalog fosilnih goriv – Hubbertov vrh

Grafa veljata za črpanje surove nafte v ZDA


Hubbertov vrh

Logistična funkcija izkoriščanja končnih zalog

(svetovne zaloge)

M. King Hubbert (1903 – 1989)

"Our ignorance is not so vast as

our failure to use what we know."

že leta 1956 je napovedal da bo vrh

proizvodnje surove nafte v ZDA med

leti 1965-1970 (dejansko je bil 1970)



Poraba surove nafte v ZDA



“Verjetnost da ujameš ribo v ribniku je odvisna od števila rib, ki so še v ribniku.”

M. K. Hubbert


Hubbertov vrh

letnica največje proizvodnje v

območju


Pridobivanje zemeljskega plina

Pro

izv

od

nja

zem

elj

sk

eg

a p

lin

a / c

ub

ic f

eet

per

day

Leto

16 17 15 17 19 19 20 22 23 22 25 %

upad proizvodnje zem. plina (glede na izhodiščno leto)

Novejše vrtine se hitreje izrabljajo. Razlogi še niso povsem znani.


Fosilna goriva

Uvozna odvisnost EU od fosilnih goriv in rast cen energentov

PREMOG NAFTA ZEMELJSKI PLIN SKUPAJ

rast cen za obdobje od 1990 do 2007

Uvozna o

dvis

nost

EU

rast cev v obdobju 1990-2007


Kazalci energetske učinkovitosti EU

Prihranki primarne energije z učinkovito proizvodnjo in

racionalno rabo električne energije

bruto domači produkt

poraba električne energije

poraba primarnih virov energije


Izkop premoga do leta 2006

Izkop premoga v letih 1965-2006

0,0

500,0

1000,0

1500,0

2000,0

2500,0

3000,0

3500,0

1965

1968

1971

1974

1977

1980

1983

1986

1989

1992

1995

1998

2001

2004

leta

milijonov T

OE

svet

Kitajska

Evropa

Indija

Azija, Australija

ZDA, Kanada


Zaloge premoga

Južna

Amerika drugi

Zahodna

Evropa

Avstralija

Južna Afrika

Indija

Rusija

ZDA

Kitajska

Nahajališča premoga


Zaloge zemeljskega plina

Bližnji vzhod

Srednja in

vzhodna Evropa

Zahodna Evropa

Azija-Pacifik

Afrika

Zahodna polobla

Nahajališča zemeljskega plina


Zaloge nafte

Drugi

Rusija in Vzodna

Evropa

Severna Amerika

Savdska Arabija

Irak

KuvajtIran

Latinska

Amerika

Nahajališča nafte


Zaloge uranove rude

Nahajališča uranove rude


Električna energija

Proizvodnja električne energije


Svetovna proizvodnja električne energije

Deleži primarnih virov energije v svetovni proizvodnji električne energije (2006)

JEDRSKA ENERGIJA

16,9 %

NOVI OBNOVLJIVI VIRI

(sonce, veter)

1,6 %

VODNA ENERGIJA

17,1 % FOSILNA GORIVA

64,4 %


Električna energija iz primarnih virov energije

Deleži primarnih virov energije pri oskrbi z električne energijo v EU

10 % VODA 6 % drugi OVE 30 % JEDRSKO

GORIVO

31 % PREMOG 31 % ZEMELJSKI

PLIN


Proizvodnja električne energije v HE v letih 1965-2006

0,0

500,0

1000,0

1500,0

2000,0

2500,0

3000,0

3500,01965

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

leta

TW

h

svet

Evropa

ZDA in Kanada

Azija, Australija

Afrika

Svetovna proizvodnja električne energije v HE


Svetovna proizvodnja električne energije v jedrskih elektrarnah

Proizvodnja jedrskih elektrarn v letih 1965-2006

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1965 1971 1977 1983 1989 1995 2001

leta

TW

h

svet

Evropa in Evrazija

Azija, Australija

ZDA, Kanada,

Mehika


Jedrske elektrarne v Evropi

Danes je v Evropi okoli 210 jedrskih elektrarn.

Države v Evropi z največjim številom JE:

- Francija 59,

- Rusija 31,

- V. Britanija 23,

- Nemčija 17

Na svetu:

- ZDA 104,

- Japonska 58,

- Indija 15


Električna energija iz jedrske energije

Povečevanje proizvodnje električne energije iz jedrskih elektrarn

Ra

zp

olo

žljiv

os

t (

% )

Pro

izvo

dn

ja e

lek

trič

ne e

nerg

ije

/ T

W h

EU

ZDA

Japonska

Ostalo


Energija vetra - vetrne elektrarne

Nemčija

ZDA

Španija

Svet skupaj

EU

Inš

tali

ran

a s

ku

pn

a m

oč

/ M

W

Povečevanje števila vetrnih

elektrarn


Energija vetra

Dinamika obratovanja vetrnih

elektrarn*

*vir: Življenje in tehnika, št.:9, 2010


Planirano povečanje uporabe obnovljivih virov primarne energije

pri proizvodnji električne energije v Evropi*

*vir: VGB PowerTech

Energija vetra


Hubbartov model

Zakonitosti izkoriščanja končnih zalog goriv


Hubbertov model in Hubbertov vrh

M.K.Hubbert je leta 1956 pokazal, da ima

časovna funkcija, ki popiše izkoriščanje

končne zaloge goriva značilno zvončasto

obliko. Hitro naraščanje porabe, vrh in

hitro padanje porabe. Na osnovi lege vrha

lahko določimo, kdaj bo zaloga izčrpana.

Hubbertova ocena, kdaj bo črpanje nafte v ZDA doseglo

vrhunec se je izkazala skladna z dejanskim stanjem. ‘’Peak

oil’’ v ZDA je bil dosežen leta 1971.

Za točnost napovedi je potrebna predvsem zanesljiva ocena

količine zalog goriva.

Pro

izvodnja

naft

e v

ZD

A v

mili

jard

ah s

odčkov n

a leto

1 sodček = 159 litrov

leto


Hubbartov model

Logistična funkcija izkoriščanja svetovnih zalog nafte

P - letna proizvodnja nafte

Q - kumulativna proizvodnja nafte

Svetovne zaloge nafte

P/Q

- R

ela

tivn

a le

tna

pro

izvo

dn

ja

Od leta 1983 se dejanska proizvodnja

nafte povsem ujema z logistično

premico. Vrh proizvodnje je bil

dosežen leta 2005, ko je bilo

porabljena polovica vseh znanih

zalog nafte.

Mili

jard

a s

odčkov

Leto


Scenarij izkoriščanja fosilnih goriv po Hubbartu

Logistična funkcija je izračunana z izhodiščem za leto 1980 s podatki o bivših potrebah

po energiji od leta 1950 in ekstrapolinarjem potreb do leta 2020. V izračunu so

upoštevane naslednje svetovne zaloge fosilnih goriv:

A -zemeljski plin W∞ =8.8 × 1018 kJ

B –surova nafta W∞ =14.6 × 1018 kJ

C –premog W∞ =58.7 × 1018 kJ

Č –skupaj fosilna goriva W∞ =82.1 × 1018 kJ

Z integriranjem logistične funkcije dobimo:

K t

1 K t

1

1

1

1

eW a

b e

at 0, W

b 1

t , W W a

Vrednosti K,a1 in b1 so konstante,dobljene na osnovi statističnih podatkov.


A –zemeljski plin

B –surova nafta

C –premog

Č –skupaj (fosilna goriva)

Scenarij izkoriščanja fosilnih goriv po Hubbartu


Energetika v Sloveniji

Primarni viri energije in oskrba z energijo v naši državi


Energetika v Sloveniji

Viri primarnih energij v Sloveniji

Fosilna goriva:

- zemeljski plin - nimamo nahajališč.

- nafta - količinsko nepomembno.

- premog: Rudnik rjavega premoga Trbovlje, Rudnik lignita Velenje. Uporablja se v TE Šoštanj in

v TE Trbovlje. Iz domačega premoga pridobimo skoraj tretjino vse proizvedena električne energije.

Vodna energija: četrtino vse električne energije pridobimo iz HE. Imamo še nekaj rezerve.

Biomasa:

- lesna biomasa: okoli 60 % površine Slovenije pokrivajo gozdovi. Premalo izkoriščen vir energije.

- biogoriva: cilj 0,35 % delež uporabe biogoriv za transport v letu 2010 in 5 % v letu 2020.

Sončna energija: ocenjeno je, da bi lahko izkoristili do 960 GWh sončnega potenciala. Danes je

izkoriščeno cca. 3-5 % tega potenciala za pridobivanje toplote in elektrike.

Energija vetra: manj pomembna in tudi še neizkoriščena.

Geotermalna energija: Skupna toplotna moč je okoli 130 MW, izkorišča se približno 100 MW.


LJUBLJANA

Kranj Celje

Velenje

Novo mesto

Nova Gorica

Koper

Maribor M. Sobota

Jesenice

Drava: Pel = 577 MW

Sava: Pel = 130 MW

So : Pel = 172 MWča

Ljubljana 120 Pel = MW

Trbovlje 125 Pel = MW

Krško 00 Pel = 7 MW

Brestanica 297 P = MWelBrestanica 297 P = MWelBrestanica 297 Pel = MW

+ 450 small Hydropower Plants

Slovenski (domači) viri primarne energije v RS in njihova izraba:

Vodna energija (obstoječe HE)

Rjavi premog (Trbovlje) in lignit (Velenje)(obstoječe TE)

Lesna biomasa (pokritost z gozdovi > 60 %) (izvoz?!)

Uvoženi viri energije*:

Jedrsko gorivo (obstoječa NEK)

Zemeljski plin (99,6 %)

Vsa kapljevita goriva, bencini, diesel, ELKO

Električna energija (~10-15 %)

Viri energije v Sloveniji

* sekundarna energija – že predelana uporabna goriva


Povprečne hitrosti vetra v Sloveniji

Povprečne letne hitrosti vetra v Sloveniji izražene v m/s, vir ARSO


Hidroelektrarne v Sloveniji (2012)


Električna energija iz hidroelektrarn v Sloveniji

možna proizvodnja el.

energije ob večji

količini vode

Če bi vse slovenske HE stalno obratovale s 100 % močjo, bi bila mesečna proizvodnja ~820 GWh


Električna energija iz hidroelektrarn v Sloveniji

Razmerje med možno proizvodnjo (ob

ugodnih hidroloških razmerah) in

dejansko proizvodnjo imenujemo

(hidrološko) razpoložljivost

hidroelektrarn.

Povprečna razpoložljivost slovenskih

hidroelektrarn znaša ~46 %.

Predvidena bilanca za leto 2013!


Termoelektrarne v Sloveniji


Električna energija iz termoelektrarn v Sloveniji

50% električne energije iz

NEK pripada Hrvaški!



Električna energija iz termoelektrarn v Sloveniji


Remont v NE Krško


Prenosno in distribucijsko omrežje

Primanjkljaj!


HR

SLO


Struktura porabljene električne energije v Sloveniji

Struktura izvora porabljene električne energije v Sloveniji za leto 2012. Pri

jedrski elektrarni Krško je upoštevana 50 % proizvodnja (drugih 50 % pripada

R Hrvaški). Vir: ELES, poročilo o letnem obratovanju 2012

Proizvodnja in poraba

vrsta elektrarne GWh %

termoelektrarne 4635,9 36,6

hidroelektrarne 3729,9 29,4

jedrska elektrarna 2616,25 20,6

fotovoltaika + SPTE 93,8 0,7

proizvodnja skupaj 11075,9 100

poraba 12480,1

izgube* 200,5

primanjkljaj (uvoz) 1604,7 12,7

2012


GORIVA


Pojem goriva

Goriva so snovi z veliko kemične notranje energije, se sprošča pri zgorevanju.

Zgorevanje je hiter proces oksidacije.

Sproščena kemična notranja energija se prenaša na molekule produktov zgorevanja,

predvsem kot kinetična notranja energija molekul dimnih plinov. S tem se poveča njihova

kalorična notranja energija in temperatura. Dobili smo vir toplote.

Goriva delimo po agregatnem stanju na trdna, kapljevita in plinasta ter po nastanku na

naravna in umetna oz. sintetična. Naravna goriva so fosilna in jedrska goriva ter biogoriva,

umetna pa dobimo s predelavo naravnih goriv.


Vrste goriv


Karakteristike goriv

Za kvalitetno uporabo goriv moramo poznati njihove fizikalne in kemične lastnosti.

Fizikalne lastnosti moramo poznati za projektiranje in konstruiranje transportnih in

zgorevalnih naprav, priprave goriva in gorilnikov, kemične lastnosti pa za vodenje

kvalitetnega procesa zgorevanje ter projektiranje sistemov, ki to omogočajo.

Med fizikalne lastnosti goriv štejemo: gostoto, specifično toploto, vnetljivot, transportne

lastnosti ter še posebej nasipno gostoto in meljivost pri trdnih gorivih, viskoznost pri

kapljevitih in meje eksplozivnosti pri plinastih gorivih.

Med kemične lastnosti štejemo: kemično sestavo, kurilnost, zgorevalno toploto, količino

zgorevalnega zraka, produkte zgorevanja, itd.

Kemične lastnosti določamo na osnovi kemične sestave goriva, ki jo izmerijo v

akreditiranih kemijskih laboratorijih.


Sestava goriv

V splošnem vsebujejo goriva tri “gorljive” elemente:

• ogljik,

• vodik

• žveplo

ter

• primesi kisika in dušika

• mineralne snovi kot negorljivi balast in

• vodo.


Sestava goriv

Sestavo goriv se določa s kemično analizo vzorcev goriva, ki jih s postopkom vzorčevanja

odvzamemo iz celotne mase goriva.

Zaradi različnih fizikalnih lastnosti se vsebina kemične analize za trdna in kapljevita

goriva razlikuje od vsebine rezultatov analize za plinasta goriva.

Trdna goriva

Pri trdnih in kapljevitih gorivih se določajo masni deleži elementov: ogljika, vodika, dušika,

žvepla in še vsebnost vode ter vsebnost negorljivih snovi, ki jih imenujemo pepel.

Dodani so lahko še podatki o izmerjeni kurilnosti, gostoti, viskoznosti, itd.

Plinasta goriva

Kemična analiza plinastih goriv vsebuje masne deleže vseh plinastih komponent, ki

sestavljajo gorivo. Dodani so lahko še podatki o izmerjeni kurilnosti, gostoti, itd.


Ogljik C

• Osnovni element gorljive mase pri trdnih in kapljevitih gorivih,

• največ ga je v antracitu, do 94 %, najmanj v organski masi lesa,

• nahaja se v prosti obliki ali vezan z vodikom, dušikom, žveplom, kisikom,...

• pri popolnem zgorevanju v CO2 se iz 1 kg ogljika sprosti 33,9 MJ toplote,

• Pri nepopolnem zgorevanju v CO pa se sprosti le 9,8 MJ toplote,

Elementi sestave goriv - ogljik in vodik

• Pomemben del zlasti plinastih goriv, kadar se pojavlja v prosti obliki ali kot CmHn,

• vezan s kisikom v H2O pa predstavlja balast, ki pri zgorevanju porablja toploto,

• 1 kg vode v gorivu porabi 2,5 MJ toplote za uparjanje,

• pri zgoretju 1 kg vodika se sprosti143 MJ toplote.

Vodik H


Elementi sestave goriv - žveplo, kisik in dušik

• v gorljivi in negorljivi obliki

• negorljivo žveplo v obliki sulfatov, npr. CaSO4

• zgori v SO2 ali v SO3, ki z vodo tvorita žvepleno kislino,

• 1 kg S = 9,3 MJ toplote,

• v premogih je tudi preko 8 %, v kapljevitih preko 5 %, v plinastih v obliki H2S in SO2

Žveplo S

• V gorivu ni zaželjen ker povzroča oksidacijo že pri okoliških temperaturah,

• notranji balast, zavzema mesto gorljivim substancam.

Kisik O

• Dušik načelno ne gori, vendar pri visokih temperatura tudi delno oksidira v različne

dušikove okside NOx, ki so vsi strupeni za ljudi in živali ,

• v trdnih in tekočih ga je malo, razen v biogorivih kjer delno tudi zgoreva v NOx.

Dušik N


Negorljive snovi – pepel p

Mineralne snovi so negorljive, iz njih nastaja pepel, zato jih že pred zgorevanjem tako imenujemo. Pepel je sestavina predvsem trdnih goriv. V gorivu ni zaželjen ker:

• zmanjšuje delež gorljivega v gorivu, niža kurilnost in viša stroške transporta,

• otežuje zgorevanje in povzroča izgube toplote,

• pri kurjavah na premogov prah povzroča abrazijo in povečuje stroške vzdrževanja.

Vsebnost mineralnih primesi se spreminja v zelo širokih mejah:

• les med 1 % in 2 %

• premogi slabše kakovosti do 30 %

• oljni škriljavci do 90 %, zato moramo gorivo ekstrahirati

• v kapljevitih gorivih praktično ni pepelov.

Sestava goriv - pepel

95–98 % vseh mineralnih primesi sestavljeno iz:

• silikatov, v osnovi iz alumosilikata (gline in škriljavci),

• sulfidov, med katerim prevladuje železov sulfid – pirit FeS2,

• karbonatov kalcija, magnezija in včasih tudi železa.


Sestava goriv - pepel

Med procesom zgorevanja lahko mineralne primesi delno razpadejo, oksidirajo ali

reagirajo v nove spojine.

• Pepeli v postrojenju povzročajo abrazijo in različne oblike korozij,

• pri višjih temperaturah se pepel mehča in tali ter se lepi na stene kot žlindra,

• zažlindravanje sten prenosnikov toplote slabša prenos toplote in niža izkoristek kotlov.

Škodljivi vplivi na postrojenje

• Minerali z vsebnostjo žvepla povzročajo emisije žveplovih oksidov,

• pri kurjavah na premogov prah imamo emisije prahu pepela.

Škodljivi vplivi na okolje


Vlaga

• V gorivu je balast, ki zmanjšuje njegovo kurilnost,

• včasih tudi zaželjena, npr. pri briketiranju in, ko preprečuje prašenje pri presipanju.

• Velenjski lignit 38 % vlage, trboveljski rjavi premog 20 %,

• sveži les 50 % vlage, sušen les od 7% do 15 % vlage.

Sestava goriv - vlaga


TRDNA GORIVA


Sestava trdnih goriv

Prikaz sestave trdnih goriv je narejen za velenjski lignit.


Trdna goriva

• obnovljivi viri (stalno nastajajo)

– biomasa - les in lesni odpadki - lesna biomasa, ter ostali odpadki biomase: slama,

peške, pleveli,...

Po mednarodni terminologiji se izraz biomasa uporablja za trdna goriva.

• neobnovljivi viri (nastali so s preobrazbo biomase v milijonih let)

– šota, premogi, oljni škriljavci

NARAVNA TRDNA GORIVA


Trdna goriva

LESNA BIOMASA

K lesni biomasi prištevamo les, namenjen za kurjavo, ostanke sečnje v gozdu ter

ostanke Industrijske predelave lesa. Pri industrijski predelavi ostajajo krajniki, lubje,

žaganje in lesni prah, lahko pa tudi okoljsko problematični kemijsko obdelani ostanki,

ki vsebujejo lepila, premaze, zaščitna sredstva, itd. .

Suh les je v glavnem sestavljen iz celuloze in lignina. Vsebuje še smole, maščobe,

voske, tanin in mineralne snovi. Sestava organske mase lesa je pri različnih vrstah

lesa zelo podobna.

Elementna sestava suhega lesa:

C - 50 %

H - 6 %

O - 43 %

N - do 1 %, tudi v obliki NOx.


Trdna goriva

LESNA BIOMASA - KARAKTERISTIKE

• ni žvepla,

• malo pepela, vsebuje kalij (gnojilo, belilo),

• kurilnost je glede na vrsto lesa približno konstantna, odvisna je predvsem

od vsebnosti vode, od 8 -15 MJ/kg do 18,5 MJ/kg za absolutno suh les;

• primerjava zgorevalne toplote: 2 kg peletov = 1 l EL kurilnega olja,

• svež les lahko vsebuje tudi do 200 % vode,

• veliko hlapnih snovi,

• vnetljivost – lahki, suhi les se lahko vžge pri 220 ºC.


Trdna goriva

DOLOČANJE VLAŽNOSTI LESA

Lesna vlažnost je določena kot razmerje med maso vode in maso suhega lesa, v

katerem se ta voda nahaja.

Oblika lesne biomase za energetske namene:

• klaftre

• polena

• sekanci

• žagovina

• stiskanci iz žagovine in prahu: briketi in peleti

POIMENOVANJE POSAMEZNIH VRST LESNE BIOMASE


Trdna goriva

LES – lesni peleti


Trdna goriva

Premog je gorljivi sediment. Nastal je iz rastlin. V močvirskih področjih odmrle rastline

padejo na dno močvirij, kjer jih, brez prisotnosti kisika, predelujejo anaerobne bakterije. Za

nastanek premoga je potreben še dolgotrajen proces karbonizacije.

karbonizacija – potreben tlak, temperatura, čas

NASTANEK IN STAROST PREMOGOV


Trdna goriva

NASTANEK IN STAROST PREMOGOV

Antracit - prične nastajati že v devonu (pred cca. 400 milijoni let), večinoma pa

je pričel nastajati v zgodnjem karbonu pred 350 milijoni let.

Črni premog - pozni karbon in perm v času pred 250 do 320 milijoni let.

Rjavi premog - je mlajši, pričel je nastajati po permu, pred nekaj deset milijoni let.

Lignit - je najmlajša vrsta premogov, stara nekaj milijonov let.

Velenjski lignit - je iz obdobja pliocen v terciarju in je star od 2 do 5 milijonov let.

Trboveljski rjavi premog - je iz oligocena in je star od 20 do 35 milijonov let.

Za nastanek premogov so bili potrebni tudi pogoji za potek procesa karbonizacije, pri

katerem v organski masi marašča delež ogljika, niža pa se delež dušika, vodika in

kisika. Za nastanek črnih premogov je bila potrebna temperatura do 350 ºC, za nastanek

antracita pa tja do 500 ºC.

../../wiki/Precambrian

../../wiki/Phanerozoic

../../wiki/Proterozoic

../../wiki/Archean

../../wiki/Hadean

../../wiki/Mesoproterozoic

../../wiki/Paleoproterozoic

../../wiki/Ediacaran


../../wiki/Cenozoic

../../wiki/Mesozoic

../../wiki/Paleozoic

../../wiki/Cretaceous

../../wiki/Jurassic

../../wiki/Triassic

../../wiki/Permian

../../wiki/Carboniferous

../../wiki/Devonian

../../wiki/Ordovician

../../wiki/Cambrian

../../wiki/Cenozoic

../../wiki/Quaternary

../../wiki/Neogene

../../wiki/Paleogene

../../wiki/Pleistocene

../../wiki/Miocene

../../wiki/Oligocene

../../wiki/Eocene

../../wiki/Paleocene


Trdna goriva

PREMOG

karbonizacija – vsebnost ogljika narašča, vsebnosti ostalih komponent se zmanjšuje


Trdna goriva

Ligniti so svetlo rjave barve jasno izraženo lesno strukturo. Ker imajo lesno strukturo,

vsebujejo veliko vlage, Velenjski lignit tudi do 40 %. Pri starejših rjavih premogih je

vsebnost vlage do 25 %.

Rjave premoge delimo glede na stopnjo karbonizacije ter fizikalne in kemične lastnosti v:

•bituminozne rjave premoge,

•zemljaste rjave premoge.

Pri črnih premogih je stopnja karbonizacije višja kot pri rjavih, zato vsebujejo več ogljika,

predvsem neizparljivega. So manj oljnati in bolj krhke sestave od rjavih premogov.

Antracit je premog, ki je dosegel najvišjo stopnjo karbonizacije. Je krhek, lahko drobljiv

material z malo hlapljivih snovi. Ker ima malo volatilov je tudi težko vnetljiv. Vsebnosti:

97-98 % ogljika, 8-20 % pepela, 2-9 % volatilov.

LASTNOSTI PREMOGOV

../../wiki/Precambrian


../../wiki/Proterozoic

../../wiki/Archean

../../wiki/Hadean

../../wiki/Mesoproterozoic

../../wiki/Paleoproterozoic

../../wiki/Ediacaran


../../wiki/Cenozoic

../../wiki/Mesozoic



../../wiki/Jurassic

../../wiki/Triassic

../../wiki/Permian


../../wiki/Devonian


../../wiki/Cambrian

../../wiki/Cenozoic


../../wiki/Neogene



../../wiki/Miocene


../../wiki/Eocene



../../wiki/Cenozoic

../../wiki/Mesozoic



../../wiki/Jurassic

../../wiki/Triassic

../../wiki/Permian


../../wiki/Devonian


../../wiki/Cambrian

../../wiki/Cenozoic


../../wiki/Neogene



../../wiki/Miocene


../../wiki/Eocene



Dnevni kop – Adaro Indonezija

Trdna goriva


Dnevni kop – Adaro Indonezija

Trdna goriva


Dnevni kop – okolica Kölna (Nemčija)

Trdna goriva


Rudnik črnega premoga - Nemčija

Trdna goriva


Rudniki premoga v Sloveniji

Trdna goriva


Sestava slovenskih premogov

Trdna goriva


Sestava lignita iz rudnika Velenje, jama Pesje

Trdna goriva


Skladiščenje premoga

deponija TE Šoštanj deponija TE Šoštanj



deponija TE Šoštanj



depnija TE-TO Ljubljana



deponija TE-TO Ljubljana depnija TE-TO Ljubljana


Oljni škrilavci

• Nastali so iz organskega mulja in usedlin rastlinskega in živalskega izvora (planktona).

• Podobno kot nafta so sestavljeni iz ogljikovodikov, vsebujejo veliko vodika do 9,5 %, kar pomeni tudi veliko volatilov - do 80 % na gorivno maso in s tem tudi lahko

vnetljivost.

Trdna goriva


KAPLJEVITA GORIVA


Kapljevita goriva

NAFTA

Je naravno kapljevito gorivo, ki ga sestavljajo metanski, naftalinski in aromatični ogljikovodiki,

torej molekule, ki imajo od 4 do 20 atomov ogljika.

Nastanek: obstajata dve teoriji, organska in anorganska teorija.

Bolj verjetna je teorija nastanka iz organskih snovi, ki predpostavlja nastanek nafte v na dnu

morja iz razpadlih organskih snovi alg, enoceličnih organizmov in drugih živali pod posebnimi

pogoji: brez prisotnosti kisika in v globinah med 2200 m in 4500 m.

Druga, manj verjetna teorija predpostavlja nastajanje nafte globoko v zemeljskih plasteh

zaradi delovanja anaerobnih bakterij.


Kapljevita goriva

• Nafta je zelenkasto-rjava do temno rjava oljasta kapljevina, ki je zmes ogljikovodikov

in vode (običajno slane), vsebuje do 5 % žvepla, kisik, dušik, ter tudi težke kovine.

• Čim več vsebuje lažjih ogljikovodikov, tem bolj je svetla in ima nižjo gostoto in

viskoznost.

• V trgovini s surovo nafto se uporablja enota “barell (bbl)”, 1 sod = 159 litrov.

• Uporabna goriva pridobimo s predelavo nafte s postopkom frakcionirane destilacije in

v zadnjem času tudi frakcionirane kondenzacije, v katerem nafto ločimo na skupine s

približno enako dolgimi verigami ogljikovodikov. Dobimo bencine in olja različnih

gostot, od ekstra lahkih do ekstra težkih olj.

NAFTA - osnovne lastnosti


Kapljevita goriva - nafta

• Višja kurilnost,

• majhna vsebnost negorljivih komponent,

• manjše izgube s toploto dimnih plinov zaradi nižjih razmernikov zraka in

popolnejšega zgoretja,

• enostavna regulacija moči in procesa zgorevanja,

• možnost transporta po cevovodih na velike razdalje.

PREDNOSTI

• Velika vnetljivost in eksplozivnost, požarna nevarnost,

• sposobnost generacije elektrostatične napetosti,

• težko odstranjevanje emulgirane vode,

• strupenost nekaterih komponent.

SLABOSTI


Kapljevita goriva

Povprečna sestava in gostota nafte

Organska masa: ogljik 83 % do 87 %

vodik 11 % do 14 %

kisik 0,1% do 1 %

žveplo 0,1% do 7 %, tudi kot magnezijev in kalcijev sulfat,

dušik 0,1% do 5 %.

Ostalo: voda do 2 %, v surovi nafti tudi nad 30 %

pepel 0,1 % do 3 %

težke kovine: vanadij, nikelj, železo

Gostota surove nafte je med 820 kg/m3 in 920 kg/m3. Gostota frakcij se giblje od

okoli 700 kg/m3 pri bencinih, do 840 kg/m3 pri ekstra lahkih kurilnih oljih in 970 kg/m3

pri ekstra težkih kurilnih oljih ter tudi nad 1000 kg/m3 pri katranskih oljih.


Kapljevita goriva

Poročilo o meritvah gostote in

kurilnosti, ki ga dobavitelj

goriva dostavi naročniku.


Kapljevita goriva

• V začetni fazi priteka na površje zaradi lastnega tlaka v ležišču,

• na površini je potrebna stabilizacija,

• izčrpati je mogoče samo 10-60 % geološke zaloge nafte v nahajališču.

NAFTA - črpanje

VRTINA NAFTA - Kalifornija okoli 1930


Rafinerija SLO – Lendava

Kapljevita goriva - predelava nafte


Kapljevita goriva – onesnaževanje z nafto

*Vir: TECHNIK&GESELSCHAFT

VDI nachrichten, junij 2010

Področja rizika pri transportu nafe v Evropi

Označena so področja

onesnaženja zaradi izpustov

nafte v letih 1990 do 2003.


PLINASTA GORIVA


Plinasta goriva

• Popolnejše zgorevanje,

• manj balasta,

• zgorevanje z nizkim presežkom zraka,

• produkti zgorevanja so “čisti”,

• lahek transport po plinovodih,

• Pri enaki sproščeni toploti je emisija ogljikovega dioksida za polovico manjša kot

pri kurjenju premoga.

Prednosti plinastih goriv pred ostalimi vrstami goriv

Slabosti

Hitra vnetljivost in

eksplozivnost


Plinasta goriva

Naravna plinasta goriva: jamski plin (v rudnikih), bio plin, zemeljski plin.

Umetna plinasta goriva pridobivamo iz trdnih in kapljevitih goriv s postopki:

- razplinjanja: koksni plin, suha destilacija (npr. lesa), stabilizacija surove nafte,

- uplinjanja goriv: nepopolna oksidacija goriv, piroliza, razpad kapljevitih goriv,

uplinjanje premogov, bencinov in olj.

- kreking s katalizatorji, pirolitični razpad: vodik, lažji ogljikovodiki

- elektroliza: vodik.

Razdelitev in vrste plinastih goriv


Plinasta goriva

• Zemeljski plin je na izstopu iz vrtine zmes alkanskih ogljikovodikov, večinoma iz

metana CH4, ki ga je običajno več kot 90 vol.%.

• Sestava plina se razlikuje glede na črpališče in tudi glede na izčrpanost nahajališča.

• Iz nahajališč do uporabnikov se transportira po plinovodih, ki so površinski, vkopani ali podmorski.

• Za čezoceanski transport zemeljskega plina se uporabljajo tankerji, ki prevažajo ukapljen zemeljski plin. Pri tlaku okolice ima temperaturo pod –161,5 °C.

Zemeljski plin

Tranzitni plinovodi - za transport velikih količin zemeljskega plina na velikih razdaljah.

So jekleni premera do 1,5 m in dolgi več tisoč kilometrov. Tlak plina je od 70 do 100 bar.

Magistralni plinovodi - za transport znotraj držav. Premer plinovoda manjši od 1 m,

tlak v plinovodu je nižji od 70 bar.

Distribucijski plinovodi - za transport do končnih uporabnikov. Tlak plina je pod <8 bar.

Pri porabnikih je dodatna redukcija tlaka plina na 0,03 bar nadtlaka.

Plinovodi za zemeljski plin


nov. 2005 sep. 2002

Analiza zemeljskega plina iz Rusije


Analiza zemeljskega plina iz Rusije

febr. 2009

Spreminjanje sestave zemeljskega

plina iz nahajališča v Rusiji.

Leto CH4 C2H6 CO2 N2

% % % %

2002 97,97 0,76 0,08 0,8

2005 97,50 1,02 0,14 0,85

2009 96,60 1,55 0,29 0,9

Nižanje masnega deleža metana

in višanje vsebnosti balasta v

zemeljskem plinu kaže na

postopno staranje nahajališča.


Zemeljski plin - plinovodi

Transport po

tranzitnih plinovodih


Transport

Magistralni plinovodi


Zemeljski plin

Transport – ukapljenega zemeljskega plina

Metanker do 60000 t = 130 000 m3, gost.kaplj.=430kg/m3, iz 1 m3 kaplj. dobim 600 m3 plina, r = 1,015 MJ/m3


PRODUKTI ZGOREVANJA


Goriva in zgorevanje

STEHIOMETRIJSKE ENAČBE – popišemo zgorevalne procese

C + O2 = CO2 + 406,1 MJ/kmol

1,0 kg C + 2,7 kg O2 = 3,7 kg CO2 + 33,9 MJ/kg

CO + ½ O2 = CO2 + 282,7 MJ/kmol

1,0 kg CO + 0,56 kg O2 = 1,56 kg CO2 + 10,1 MJ/kg

H2 + ½ O2 = H2O (para) + 241,9 MJ/kmol

1,0 kg H2 + 8,0 kg ½ O2 = 9,0 kg H2O + 121,0 MJ/kg

S + O2 = SO2 + 296,7 MJ/kmol

1,0 kg S + 1,0 kg O2 = 2,0 kg SO2 + 9,3 MJ/kg

PRODUKTI

ZGOREVANJA:

CO2, H2O, SO2

NEPOPOLNO

ZGOREVANJE

- CO

- nezgoreli aromati

- saje

PREVELIK PRESEŽEK ZRAKA

- SO3

- nezgoreli volatili - NOx

VISOKE

TEMPERATURE

- NOX

(NO, NO2, N2O5, itd)

Produkti zgorevanja


Nastanek dimnih plinov – kisik za zgorevanje jemljemo iz zraka. Ostanek zraka (dušik) v procesu

zgorevanja ne sodeluje, ampak vseeno tvori dimne pline. Tako npr. iz 1 kg goriva stehiometrično

minimalno nastane naslednja količina dimnih plinov:

iz 1 kg Lignit Velenje 4,5 kgdim.pl. ali 3,5 m3dim.pl.

iz 1 kg kurilnega olja 15,5 kgdim.pl ali 12 m3dim.pl.

Za zgorevanje pa vedno potrebujemo nekoliko več zraka, kot je teoretično minimalno potrebno. Goriva in

zraka ne moremo idealno pomešati.

Produkti zgorevanja

l - razmernik zraka ugotavljamo z

analizo dimnih plinov: merimo

vsebnost CO2 ali O2 v dimnih plinih

zraka kol.min.teor.

zrakakol.dejanskall - razmernik zraka

razmernik zraka je odvisen od vrste goriva in načina zgorevanja

(na rešetki, v prostoru, v lebdeči plasti,…)

vrsta goriva l

trdno (kosi) 1,5−2

kapljevito 1,15−1,3

plinasto 1,04−1,06

l - razmernik zraka

zelo pomemben faktor! Količina zraka, ki

sodeluje v zgorevanju močno vpliva na

kvaliteto zgorevanja (nastanek

nezgorelih škodljivih snovi) in velikost

izgub s toploto dimnih plinov oz.

izkoristek naprave.


Zgorevalne enečbe

Popolno zgorevanje ogljika:

C + O2 = CO2 + 407,3 MJ/kmol

1,0 kg C + 2,7 kg O2 = 3,7 kg CO2 + 33,9 MJ/kg

Nepopolno zgorevanje ogljika:

C + ½ O2 = CO + 117,7 MJ/kmol

1,0 kg C + 1,33 kg O2 = 2,33 kg CO + 9,8 MJ/kg

Zgorevanje vodika:

H2 + ½ O2 = H2O (para) + 241,9 MJ/kmol

1,0 kg H2 + 8,0 kg ½ O2 = 9,0 kg H2O + 121,0 MJ/kg

Zgorevanje žvepla:

S + O2 = SO2 + 296,7 MJ/kmol

1,0 kg S + 1,0 kg O2 = 2,0 kg SO2 + 9,3 MJ/kg

Stehiometrične enačbe za popis procesa zgorevanja

Produkti popolnega zgorevanja so: CO2, H2O, SO 2 ,

Produkti nepopolnega zgorevanja: CO, nezgoreli ogljikovodiki, saje.


toplotna

izolacija

kalorimeter – posoda z

znano toplotno kapaciteto

(napolnjena z vodo ~20 °C) vzorec

goriva

reaktor ("kalorimetrska

bomba") tlačna posoda

napolnjena s čistim

kisikom tlaka ~30 bar

zelo natančen

termometer

Določevanje kurilnosti

Kalorimeter Kurilnost goriv določamo v

kalorimetru.

Količino energije (toplote), ki jo

vsebuje ena enota goriva

imenujemo kurilnost goriva.

Izražena je v J/kg ali J/m3. Vzorec goriva sežgemo v kisikovi atmosferi v reakcijski posodi.

Sproščena toplota se prenese na kalorimeter (posoda z znano toplotno

kapaciteto), zaradi česar se spremeni njegova temperatura. Iz izmerjene

temperaturne razlike izračunamo sproščeno toploto in (zgornjo) kurilnost

goriva Hs.

kJ/g,goriva

sm

TCH

C – konstanta kalorimetra, J/K

T – izmerjena temperaturna razlika, K

mgoriva – masa vzorca goriva, g



A – izhodišče, kemična energija goriva

AB – zgorevanje brez odvoda toplote, vsa sproščena energija se porabi za segrevanje nastalih

dimnih plinov

B – teoretična (maksimalna) temperatura zgorevanja

BC – ohlajanje dimnih plinov (segrevanje kalorimetra). V točki R se dimni plini orosijo. Vodna para v

dimnih plinih prične kondenzirati in oddajati kondenzacijsko (uparjalno) toploto.

D – končna točka v primeru, če bi se vodna para obnašala kot idealni plin, ki pri teh pogojih ne

kondenzira

zgorevanje

ohlajanje dimnih

plinov

teoretična

(maksimalna)

temperatura

Zg

orn

ja k

uri

lno

st

Hs

Sp

od

nja

ku

riln

ost

Hi

rosišče dimnih plinov

Primer diagrama Hd–Td za zgorevanje vlažnega lesa pri l=1, Hi=8000 kJ/kg

A B

C

D R



Zgornja in spodnja kurilnost Zgornja in spodnja kurilnost goriva se razlikujeta za kondenzacijsko (uparjalno) energijo vode v nastalih dimnih plinih. Voda v dimnih plinih

ima dva izvora: vlaga iz goriva in produkt zgorevanja vodika.

Spodnjo kurilnost določimo računsko. Od eksperimentalno izmerjene zgornje kurilnosti odštejemo kondenzacijsko toploto vodne pare v

dimnih plinih.

Hi = Hs – r mH2O kJ/kg

Hi – spodnja kurilnost (infinum)

Hs – zgornja kurilnost (supremum)

r – uparjalna toplota vode, 2500 kJ/kg

mH2O – masa vode v dimnih plinih, ( wH2O + 9 wH )

V primeru ohlajanja pod temperaturo rosišča, kondenzirana vodna para reagira z žveplovimi oksidi SO2 in SO3 dobimo

žveplasto (H2SO3) in žvepleno (H2SO4) kislino, ki sta korozivni in povzročata poškodbe konstrukcij − nizkotemperaturna korozija

Spodnja kurilnost Hi – najpomembnejša za praktično uporabo, ker dimnih plinov

v napravah navadno ne ohlajamo pod temperaturo rosišča.


Gorivo Spodnja kurilnost

Hi MJ/kg

Antracit 31,8

Koks 29,3

Črni premog 26-30

Rjavi premog 14-20

Velenjski lignit 9-11

Kapljevita goriva 40-43

Mazut 39-41

Ruski zemeljski plin 49,5

Tekoči naftni plin 46

Ostali plini ~20,00

Kurilnost goriv

Spodnje kurilnosti nekaterih goriv


Kurilnost goriv

Zgornja/spodnja kurilnost nekaterih goriv

gorivo

zgornja

kurilnost

spodnja

kurilnost razmerje

temp.

rosišča

pri raz.

zraka

del. vode

v gorivu

Hs Hi Hs/Hi tros* l w

MJ/kg MJ/kg °C - -

vodik 142 120 1,18 71 1,1 0

zemeljski plin 54,5 49,2 1,11 58 1,1 0

kurilno olje (ELKO) 45,4 42,5 1,07 48 1,2 0

sveži les 9,84 8 1,23 63 1,4 0,47

suhi les 16,5 15 1,10 50 1,4 0,13

velenjski lignit 11 9,6 1,15 57 1,3 0,38

ogljik 33,9 33,9 1,00 7,5 - 0

*v izračunu temperature rosišča dimnih plinov je upoštevana vlažnost zgorevalnega zraka x=0,0065 kg/kg


Zgorevalna toplota in kurilnost

V toplotnih napravah izkoriščamo spodnjo kurilnost goriva in ne povzročamo kondenzacije vodne

pare v dimnih plinih. Kondenzirana vodna para bi reagirala z SO2, dobili bi žveplasto (H2SO3) in

žvepleno kislino (H2SO4). Po drugi strani pa se obe kislini že nahajata v dimnih plinih v uparjeni

obliki in bi pri temperaturah nižjih od cca.120 ºC lahko kondenzirali na hladnih stenah naprav. Kislini

sta v kapljevitem stanju močno korozivni in povzročata nizkotemperaturno korozijo in s tem

poškodbe naprav.

V praksi izkoriščamo kurilnost goriv in ne zgorevalno toploto.

Določevanje kurilnosti goriv z izračunavanjem je le približno, točne vrednosti dobimo z

meritvami v kalorimetru.

Temperature kondenzacije žveplene

kisline v dimnih plinih iz kurilnega olja, v

odvisnosti od vsebnosti žvepla v

gorivu in količine zgorevalnega zraka.


UPORABA GORIV IN POSLEDICE NA OKOLJU


Uporaba goriv in posledice na okolju

Snovi iz produktov zgorevanja fosilnih goriv, ki neposredno škodljivo vplivajo na

živa bitja in rastline:

•žveplove spojine,

•težke kovine,

•dušikovi oksidi,

•ogljikov monoksid,

•nekatere spojine C-H-N,

•trdni delci saj in pepela.



Škodljive emisije, ki nastajajo pri zgorevanju fosilnih goriv so posledica njihove sestave.

– premog:

• trdni delci pepela in saj

• žveplovi oksidi in žveplove kisline

• ogljikov monoksid

• dušikovi oksidi

• ogljikov dioksid

– kapljevita goriva

• trdni delci saj

• žveplovi oksidi in žveplove kisline


• ogljikov monoksid (manj – boljše zgorevanje)

• ogljikov dioksid (manj – manjši delež ogljika v gorivu)

– zemejski plin:


• ogljikov monoksid (manj – boljše zgorevanje)

• ogljikov dioksid



Plini, povzročitelji pojava tople grede

ogljikov

dioksid

CO2

metan

CH4

freoni,

haloni

(F11,F12,..)

dušikovi

oksidi

NOX

ozon

O3

Povprečno letno

povečanje %

0,5 1 6 0,4 2

Efekt v primerjavi

s CO2

1 30 200 000 150 200

Prispevek k

povzročanju

pojava

50

18

14

6

12



Razmerje H/C in specifične količine sproščenega CO2

Gorivo H/C (mCO2 / Q)/(g / MJ)

metan (zemeljski plin)

metanol

bencin

dizelsko gorivo

premog adaro, Indonezija

Trboveljski, rjavi premog

velenjski lignit

4,0

2,0

1,85

1,8

( 0,08 )

55

69

73

74

98

99

104

Documents

Vsebina: VIRI PRIMARNIH GORIV GORIVAlab.fs.uni-lj.si/kes/energije_in_okolje/eo-predavanje-E3.pdf · Energija in okolje 3 Viri in vrste primarnih energij ... svet Evropa in Evrazija