Obnovljivi Izvori Energije_dio I

OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE Vrste Potencijal Tehnologije

Doc.dr.sc. Damir Šljivac Doc.dr.sc. Zdenko Šimić

Ovaj projekt financira EU

1

Publikacija sadrži materijale sa seminara «Obnovljivi izvori energije u strukovnom obrazovanju» koji se održao u Zagrebu 19. i 20 veljače 2009, u sklopu projekta AWERES - AWareness and Education in Renewable Energy Sources (Osvještavanje i obrazovanje o obnovljivim izvorima energije). Cilj projekta je povećanje uporabe obnovljivih izvora energije u Republici Hrvatskoj. To će se postići promidžbom i obrazovanjem o obnovljivim izvorima energije, najprije na dva pilot-područja, a kasnije u čitavoj Hrvatskoj. U sklopu projekta, dvije strukovne škole - u Labinu i Varaždinu - opskrbit će se opremom potrebnom za nastavu na području obnovljivih izvora energije - vjetroelektranom, sunčevom elektranom, sustavom za grijanje pomoću sunca te potrebnom mjernom opremom, što će učenicima - budućim električarima, mehaničarima, instalaterima - omogućiti da stručno i samostalno odgovore na rastuću potražnju za obnovljivima na hrvatskom tržištu, a drugim strukovnim školama integraciju novog predmeta u svoj nastavni program. Voditelj projekta AWERES je Društvo za oblikovanje održivog razvoja (Zagreb), a partneri na projektu su: udruge Franjo Koščec iz Varaždina i PUT iz Labina te Srednja škola Mate Blažine, Labin i Elektrostrojarska škola Varaždin. Više informacija o projektu potražite na: http://www.aweres.net

Ova publikacija izrađena je uz financijsku pomoć Europske unije. Sadržaj ove publikacije isključiva je odgovornost Društva za oblikovanje održivog razvoja kao voditelja projekta i ni na koji se način ne može smatrati da održava gledišta Europske unije.

Europsku uniju čini 27 zemalja članica koje su odlučile postupno povezivati svoja znanja, resurse i sudbine. Zajednički su, tijekom razdoblja proširenja u trajanju od 50 godina, izgradile zonu stabilnosti, demokracije i održivog razvoja, zadržavajući pritom kulturalnu raznolikost, toleranciju i osobne slobode. Europska unija posvećena je dijeljenju svojih postignuća i svojih vrijednosti sa zemljama i narodima izvan svojih granica.

PUT

http://www.aweres.net/�

Sadržaj: 1. UVODNO O OBNOVLJIVIM IZVORIMA ENERGIJE............................................ 1

1.1. Potreba za obnovljivim izvorima energije................................................... 1 1.2. Osnovni izvori i oblici energije .................................................................. 3 1.3. Svojstva obnovljivih izvora energije ........................................................... 6 1.4. Trenutno stanje korištenja obnovljivih izvora energije .............................. 14

2. REGULATIVA OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE.............................................. 17 2.1. Direktiva EU o obnovljivim izvorima ........................................................ 17 2.2. Obnovljivi izvori energije u hrvatskim zakonima ...................................... 20

3. ENERGIJA BIOMASE ...................................................................................... 27 3.1. Vrste i osnovne značajke biomase .......................................................... 27 3.2. Tehnologije proizvodnje energije iz biomase ........................................... 29 3.3. Potencijali i proizvodnja biomase ............................................................ 43

4. ENERGIJA VJETRA.......................................................................................... 48 4.1. Snaga i energija vjetra i vjetroagregata................................................... 48 4.2. Podjela i dijelovi vjetroelektrana.............................................................. 54 4.3. Princip rada vjetroelektrane u EES i izbor generatora............................... 59 4.4. Kriteriji priključenja vjetroelektrane na mrežu......................................... 64 4.5. Tržište energije vjetra i stanje u Hrvatskoj................................................ 69

5. ENERGIJA SUNČEVOG ZRAČENJA ................................................................ 73 5.1 Potencijal Sunčeva zračenja ..................................................................... 73 5.2 Toplinska primjena .................................................................................. 78 5.3 Proizvodnja električne energije................................................................. 83 5.4. Zaključno................................................................................................ 91

6. GEOTERMALNA ENERGIJA ............................................................................ 92 6.1 Porijeklo i priroda geotermalne energije .................................................. 92 6.2 Geotermalni resursi ................................................................................. 94 6.3. Direktno korištenje geotermalne energije za grijanje............................... 96 6.4. Korištenje geotermalne energije za proizvodnju električne energije ......... 98

7. ENERGIJA POLOŽAJA VODE........................................................................ 101 7.1. Hidroenergetski resursi ......................................................................... 101 7.2. Snaga i energija HE .............................................................................. 104 7.3. Hidroelektrane...................................................................................... 106 7.4. Turbina i generator male HE ................................................................. 108 7.5. Zaključno.............................................................................................. 112

Literatura: ....................................................................................................... 113

1

1. UVODNO O OBNOVLJIVIM IZVORIMA ENERGIJE

1.1. Potreba za obnovljivim izvorima energije Suvremeni elektroenergetski sustavi uglavnom su razvijeni tijekom posljednjih 50 godina. Razvoj je slijedio ideju vodilju prema kojoj su veliki središnji generatori preko transformatora injektirali električnu snagu u visokonaponsku prijenosnu mrežu. Zatim je prijenosni sustav korišten za transport snage, često i na velikim udaljenostima. Na kraju, snaga je iz prijenosnog sustava preko serije distribucijskih transformatora usmjeravana kroz srednjenaponsku i niskonaponsku distribucijsku mrežu prema potrošačima na nižem naponu. Međutim, odnedavna se ponovno pojavilo značajno zanimanje za priključenjem proizvodnih objekata na distribucijsku mrežu. Ova je namjera poznata kao distribuirana proizvodnja električne energije (eng. distributed or dispersed or embedded generation) [17].

Konvencionalni ustroj suvremenih elektroenergetskih sustava nudi veliki broj prednosti. Veće proizvodne jedinice mogu biti učinkovitije te su u pogonu s relativno manjim brojem pogonskog osoblja. Povezane visokonaponske prijenosne mreže omogućuju minimiziranje zahtjeva za snagom pričuve generatora. Veliki iznosi snage mogu biti prenijeti na velikim udaljenostima uz ograničene gubitke. Distribucijske mreže mogu se u tom slučaju projektirati za jednosmjerne tokove snaga i dimenzionirati samo za potrebe potrošačkih opterećenja. U posljednjih nekoliko godina pojavilo se više utjecaja čije je kombiniranje dovelo do povećanog zanimanja za distribuiranu proizvodnju iz obnovljivih izvora energije (smanjenje emisije CO2, programi energetske učinkovitosti ili racionalnog korištenja energije, deregulacija i natjecanje, diversifikacija energetskih izvora, zahtjevi za samoodrživosti nacionalnih energetskih sustava…). Utjecaj na okoliš jedan je od značajnih faktora u razmatranju priključenja novih proizvodnih objekata na mrežu. Na temelju Kyoto Protokola mnoge zemlje trebaju smanjiti kombiniranu emisiju stakleničkih plinova razvijenih zemalja za otprilike 5 % u odnosu na vrijednost iz 1990. godine, u razdoblju od 2008. do 2012. godine. Zemlje Europske unije preuzele su obvezu smanjenja emisije stakleničkih plinova za 8%, dok je za Hrvatsku očekivano smanjenje za 5 %. Tablica 1.1. Rezultati smanjenja emisije stakleničkih plinova u % u odnosu na 1990. godinu.

Zemlje 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Cilj

Kyoto protokola:

EU 25 91.9 92.1 94.2 92.8 92.3 90.8 90.7 91.7 90.9 92.4 92.7 92.0 EU 15 96.3 97.1 99.2 97.8 98.1 96.5 96.8 97.8 97.4 98.8 99.1 92.0 Hrvatska 69.0 70.4 72.5 77.4 78.1 81.3 81.2 84.9 88.7 93.8 94.6 95.0

2

Stvaraju se programi iskorištavanja obnovljivih izvora koji uključuju vjetroelektrane, male hidroelektrane, fotonaponske izvore, zemni plin, energiju iz otpada te iz biomase. Kogeneracijske sheme koriste otpadnu toplinu termalnih proizvodnih objekata bilo za industrijske procese ili grijanje te su vrlo dobar način povećanja ukupne energetske učinkovitosti. Obnovljivi izvori imaju znatno manju energetsku vrijednost u usporedbi s fosilnim gorivima zbog čega su njihove elektrane manje veličine te geografski široko raspodijeljene i priključuju se uglavnom na distribucijsku mrežu. S jedne se strane nalaze inženjeri motivirani iskustvenim spoznajama o složenosti pogona elektroenergetskog sustava koji iskazuju zabrinutost u pogledu elementarne ostvarivosti masovnog uvođenja nereguliranih i neupravljivih generatora u elektroenergetsko, a posebice distribucijsku mrežu. S druge se pak strane nalaze entuzijastični zagovarači izvora obnovljive energije poput vjetroelektrana i kogeneracije električne i toplinske energije (eng. combined heat and power, CHP) koji vjeruju da takve proizvodne jedinice nužno treba uvoditi u pogon kako bi se ispunili domaći i međunarodni zahtjevi za smanjenjem emisije CO2. Štoviše, obnovljivi izvori povećavaju samoodrživost elektroenergetskog sustava u slučajevima eventualne energetske krize u proizvodnji električne energije koja je danas ovisna o isporuci ugljena, plina i nafte.

Slika 1.1. „Tri vala“ fosilnih godina i potreba za obnovljivim izvorima energije

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060

% S

hare

Biomass

Coal

Oil

Gas

Water & Wind

Other Renewables

Biomasa Ugljen Nafta Prirodni plin Voda i vjetar Ostali OIE

% P

otro

šnje

3

1.2. Osnovni izvori i oblici energije 1.2.1. Osnovni izvori energije Osnovni izvori energije koje nalazimo u prirodi su: energija Sunca, energija Zemlje i energija gravitacije. A. Energija Sunca Velika količina toplih plinova, jake gravitacijske sile ubrzavaju atome plinova prema središtu - podiže se unutarnja temperatura (na 107 K) i tlak (na 1014 Pa), pri čemu se kidaju elektroni iz atoma i mješaju s jezgrama u plazmu ⇒ termonuklearna fuzija vodika. Oslobođena energija prenosi se prema površini, te zračenjem u svemir, uz opadanje temperatura (na površini 5760 K). “Mali” dio energije Sunca koji dolazi na Zemlju = 1.5 ⋅ 109 TWh (s tim da se od toga 30% reflektira u svemir, a 70% na Zemlju = 1.05 ⋅ 109 TWh). To znači da je godišnja energija Sunca veća od ukupnih rezervi nafte i ugljena zajedno! Pri tome se veći dio energije dobija posredno: 1. Fotosinteza (kemijska energija biljaka, rezultat: hrana, te unutarnja energija drveta, biomase i fosilnih goriva) 2. Isparavanje (kruženje vode i vodene pare u atmosferi, rezultat: potencijalna energija vodotokova u odnosnu na morsku razinu) 3. Strujanje vode i zraka (kao posljedica razlika temperatura zraka i vode, rezultat: kinetička energija morskih struja i vjetra, te potencijalna energija morskih valova) Znatno manji služi izravno kao oblik energije (Sunčevo zračenje). B. Energija Zemlje (geotermalna) Hlađenjem Zemlje postupno nastaje Zemljina kora (kruti dio debljine 50 km). Jezgra Zemlje: rastaljena materija na 5500 K i 345 ⋅ 109 Pa. Prosječni temperaturni gradijent Zemlje: 1 [K] / 33 [m]; a kore 0.3 [K] / 33 [m], visoki temperaturni gradijenti pojavljuju se u područjima jakih seizmičkih aktivnosti. Prosječna dnevna količina energije koja se dovodi na površinu: 5.4 ⋅ 103 kJ/m2, što čini energiju s obzirom na površinu Zemlje od 2.8 ⋅ 1015 kJ/dan ili 0.27 ⋅ 106 TWh/god. Moguće primjene vezane su za temperaturni gradijent jer se toplinska energija može iskoristiti samo ako postoji razlika u temperaturi. Prema trenutno razvijenoj tehnologiji moguće primjene su: toplinske crpke, izvori vruće vode i pare, te energija suhih stijena. C. Energija gravitacije Posljedica gravitacijske sile između Sunca, Mjeseca i Zemlje, koje utječu na razinu vode u moru (plima i oseka), uz čega su vezane i moguće primjene. Obično se javljaju dvije plime i oseke tijekom Mjesečevog dana i one se nazivaju poludnevne, a postoje i

4

jednodnevne kod kojih se tijekom Mjesečevog dana pojavljuje samo jedna plima i oseka. Razlika između plime i oseke od nekoliko centimetara do 16 metara. 1.2.2. Osnovni oblici energije Osnovni oblici energije su nagomilana i prijelazna energija [2]. 1. Nagomilana energija - akumulirana u materiji (EN) - energija položaja (potencijalna), - energija kretanja (kinetička), - unutarnja energija Potencijalna energija – posljedica međusobne privlačnosti Zemljine mase i mase tijela iznad Zemlje, u njenom gravitacijskom polju: (1.1) Kinetička energija – rad potreban da se tijelo mase m ubrza/uspori od brzine v1 do v2: ¸ (1.2.) Unutarnja energija – koncentrirana na razini jezgara, atoma i molekula: termička - na razini molekula (dovođenjem topline molekule mijenjaju brzinu gibanja, a time i nagomilanu energiju); kemijska - na razini atoma (energija se mijenja promjenom kemijskog spoja), te nuklearna – na razini jezgara (fuzija i fisija). 2. Prijelazna energija - vezana uz proces (EP), kratkotrajna, pojavljuje se prijelazom oblika nagomilane energije s jednog tijela na drugo - rad (W), - toplina (Q), - zračenje (X) Općenito pri pretvorbi energije možemo definirati slijedeće oblike energije:

1. Primarna (prirodna) energija (u prirodnom stanju) 2. Sekundarna (pretvorbena) energija (od opskrbljivača – pripremljena, tj.

oplemenjena za transport i korisnika kroz tehničke procese) 3. Krajnja energija (korisniku predana energija – npr. električna) 4. Korisna energija (kod korisnika primjenjena energija – mehanička,

toplinska, svjetlosna, kemijska) Međutim, pri svakoj pretvorbi navedenom lancu nastaju gubici. Stoga je najvažniji zadatak energetike racionaliziranje pretvaranja raznih oblika primarne (prirodne) energije u krajnje (korisne) energetske oblike = racionalizicija uporabe energije.

2 1( )pW m g h h= ⋅ ⋅ −

2 22 1

1 ( )2kW m v v= ⋅ ⋅ −

5

1.2.3. Klasifikacija primarnih (prirodnih) oblika energije S obzirom na vremensku mogućnost njihovog iscrpljivanja prirodni (primarni) oblici energije dijele se na [2]: 1. NEOBNOVLJIVI OBLICI ENERGIJE - Fosilna goriva (ugljen, nafta, zemni plin, uljni škriljevci), - Nuklearna goriva - Unutarnja toplina Zemlje (geotermalna energija) 2. OBNOVLJIVI OBLICI ENERGIJE - Vodne snage, (energija vodotokova, morskih struja i valova, plime i oseke), - Biomasa (i bioplin, uključujući i drvo i otpatke), - Energija Sunčeva zračenja, - Energija vjetra Za razliku od neobnovljivih oblika energije, obnovljivi oblici energije NE MOGU se vremenom iscrpiti, ali je moguće u potpunosti iscrpiti njihove potencijale. Primjer: Utvrđivanje najpogodnijih lokacija za gradnju HE određene instalirane snage na određenom vodotoku i njihova izgradnja - potpuno iskorištenje isplativih energetskih kapaciteta vodotoka Dio obnovljivih izvora energije nije moguće uskladištiti i transportirati u prirodnom obliku (vjetar, zračenje sunca), a dio jest (voda u vodotocima i akumulacijama, biomasa i bioplin) Izvore energije koje nije moguće uskladištiti treba iskoristiti u trenutku kad se pojave ili ih pretvoriti u neki drugi oblik energije. Očite prednosti neobnovljivih izvora su: konstantost, bolja mogućnost prilagodbe potrebama, uskladištenja i transporta u prirodnom obliku, manje investicije za izgradnju postrojenja za njihovo dobivanje, pretvorbu i uporabu, te pogon i održavanje (s obzirom na instaliranu snagu). Ipak najvažnije: veće tehničke mogućnosti i bolja ekonomska opravdanost iskorištavanja neobnovljivih oblika energije (vezano uz razvoj metoda i postupaka) ⇒ razlozi njihovog većeg iskorištavanja do sada! Prirodne oblike energije prema fizikalnim svojstvima dijelimo još na nosioce: - Kemijske energije: ugljen i treset, sirova nafta, zemni plin, uljni škriljavci,

biomasa, bioplin, drvo i otpaci, - Nuklearne energije: nuklearna goriva - Potencijalne energije: vodne snage, plima i oseka - Kinetičke energije: vjetar, energije struja i morskih valova - Toplinske energije: geotermička, toplinska energija mora - Energije zračenja: Sunčevo isijavanje Prema uobičajenosti uporabe prirodne oblike energije možemo podijeliti i na: - KONVENCIONALNE (fosilna goriva, vodne snage, nuklearna goriva i vrući

izvori). - NEKONVENCIONALNE (svi ostali)

6

Konvencionalni obnovljivi izvori (oblici) energije - energija vodotokova (i to isključivo velike HE), dok su svi ostali su nekonvencionalni!

1.3. Svojstva obnovljivih izvora energije 1.3.1. Opća i pojedinačna svojstva nekonvencionalnih izvora energije Svojstva nekonvencionalnih izvora energije ne možemo promatrati izdvojeno od općenito znanih svojstava konvencionalnih izvora, tek uspoređivanjem s tim svojstvima možemo utemeljeno donositi kvalifikative nekonvencionalnih izvora. Neka svojstva nekonvencionalnih izvora su poželjna a neka nepoželjna. U tablici 1.2. iznose se neka važnija opća i pojedinačna svojstva, ali u kojima pretežu poželjna svojstva. Zatamnjenja pojedinih polja u tablici znače ispunjenje i neispunjenje poželjnih svojstava:

Ispunjeno poželjno svojstvo

Djelomično ispunjeno poželjno svojstvo

Neispunjeno poželjno svojstvo

Tablica 1.2. Pretežno ispunjena poželjna svojstva nekonvencionalnih izvora [4]

Svojstvo izvora Poželjno MHE Su-T Su-E Vj. Bio. Geo.

Obnovljivost Ispunjena

Potencijal Što veći

Energija za postrojenja Što manja

Energija za pridobivanje Što manja

Emisija kod pretvorbe Što manja

Moguća diverzifikacija Ispunjeno

CO2-neutralnost Povoljna

Značenje kolona u tablici je: MHE = korištenje vodnih snaga u malim hidroelektranama Su-T = korištenje Sunčeva zračenja toplinskim kolektorima Su-E = korištenje Sunčeva zračenja fotoelektričnim ćelijama Vj. = korištenje energije vjetra vjetroelektranama Bio. = korištenje biomase i otpada Geo. = korištenje geotermalne energije

7

Obnovljivost pojedinog izvora energije najlakše pojmimo ako kažemo da je obnovljiv izvor onaj čiji se prosječni dotok svake godine ponavlja, bez smanjenja – barem za ljudsko poimanje vremena. U tom pogledu, svi promatrani nekonvencionalni izvori su obnovljivi. Geotermalnoj energiji izvor su energetski procesi u Zemljinoj nutrini koji će prema ljudskom poimanju vremena trajati do sudnjeg dana, dakle praktički do u nedostižnu budućnost. U pogledu ogrjevnog drveta, istaknimo da je uvjet obnovljivosti neprekidno pošumljavanje prostora barem toliko da godišnji prinos bude jednak godišnjem iskorištenju drvne mase. Općenito, nekonvencionalni izvori imaju ogroman potencijal – što je poželjno svojstvo. Sa Sunca na tlo Hrvatske dostruji približno 500 puta više energije nego li je godišnja hrvatska potrošnja svih oblika energije! Ipak, male hidroelektrane predstavljaju ograničeni potencijal, kojega naprosto nema na znatnom dijelu ogromnih prostranstava globusa. Biomase predstavljaju velik ali ipak znatno manji potencijal od energije Sunčeva zračenja. Geotermalna energija ima pri današnjem načinu korištenja ograničeni potencijal, ali prikriveni potencijal je ogroman, ako dođe do prihvatljivog korištenja topline Zemljine unutrašnjosti s velikih dubina. . Ima li se na umu energija potrebna za proizvodnju opreme i materijala koje treba ugraditi u postrojenja za korištenje nekonvencionalnih izvora, a ne samo toj energiji odgovarajući novac, onda izlazi da pojedini izvor mora neprekidno raditi nekoliko godina, da bi tek tada postao neto-proizvođač energije. A kako za pojedine oblike energije treba mnogo takvog materijala (temelji i nosači fotoćelija i kolektora, same fotoćelije i kolektori, visoki betonski ili čelični stupovi vjetrogeneratora) to se energija za njihovu proizvodnju ne smije zanemariti. Naglašeni utrošak energije je pri proizvodnji fotoćelija. Kod većine nekonvencionalnih izvora nema utroška energije prilikom pridobivanja izvornog oblika (kao što postoji značajan utrošak energije pri eksploataciji ugljenokopa), niti utroška energije za transport izvornog oblika, jer je transport u pravilu nemoguć. Treba naprosto postrojenja za pretvorbu nekonvencionalnog izvora u povoljniji oblik izložiti djelovanju tog nekonvencionalnog izvora. Jedino se kod ogrjevnog drveta, biomase i otpada javljaju ti utrošci energije (koji mogu biti toliko značajni da cijela stvar postane neracionalna), primjerice za sječu drvne mase, za pošumljavanje i uzgoj šume, za transport od mjesta sječe do mjesta korištenja te za pripremu drveta za korištenje. Slično je s biomasom i otpadom, jedino tu može izostati utrošak pri uzgoju jer se uzgoj odvija neovisno od eventualnog energetskog korištenja, primjerice slama nastaje kao rezultat poljoprivredne proizvodnje pšenice te će ili strunuti ili se energetski iskoristiti. Lokalno opterećenje okoline emisijom štetnih tvari ili bukom na mjestu pretvorbe nekonvencionalnog oblika energije u iskoristljiviji oblik općenito je maleno ili ga uopće nema. Ali korištenje vjetra izaziva buku, a sagorijevanje biomase izaziva emisiju plinova eventualno manje štetnih od konvencionalnih goriva jer praktički nema sumpora (kao u ugljenu ili nafti). Ipak je emisija iz tih postrojenja nešto veća nego li iz konvencionalnih postrojenja, jer radi se o manjem stupnju djelovanja pri pretvorbi energije i manjim jedinicama. Emisija kod korištenja otpadaka može biti

8

i opasna ako se prethodno iz otpadaka (smeća) ne izdvoje evidentno štetni sastojci. Najznačajnije praktično poželjno svojstvo nekonvencionalnih izvora energije je mogućnost posvemašnje diverzificirane primjene. Praktički, svi izvori nekonvencionalne energije – dakako ako se raspoloživi na promatranom mjestu – mogu se koristiti u malome, u vlastitoj režiji, djelomice ili potpuno u samogradnji – time se trošak rada kod instaliranja, pogona i održavanja praktički dade izbjeći ili barem prikriti («radim za sebe, u slobodno vrijeme – dakle besplatno»). Konačno, o kumulativnoj CO2-neutralnosti nekonvencionalnih izvora energije. Kumulativnoj, znači promatranoj u ukupnom lancu – od pridobivanja energije, izrade i montaže pogonskih uređaja, do korištenja i zbrinjavanja nakon korištenja. Iako se često govori o CO2-neutralnosti apsolutno svih nekonvencionalnih izvora, najčešće se misli na tu neutralnost prilikom pretvorbe nekonvencionalnog oblika u iskoristljiviji oblik i tada je takvo gledanje točno. (Za biomasu, to je dakako ispunjeno samo ukoliko je godišnje iskorištavanje mase jednako ili manje od godišnjeg prirasta nove mase. Tada će emisija CO2 pri korištenju te biomase biti jednaka imisiji CO2 prilikom fotosinteze te biomase.) Međutim ako se ima na umu proizvodnja materijala za izgradnju fotoćelija a donekle i kolektora, onda izlazi da je primjena Sunčevog zračenja kumulativno «kvazi-CO2-neutralna», a emisija ostalih postrojenja podjednaka kumulativnoj emisiji CO2 iz konvencionalnih postrojenja. U tablici 1.3 daje se pregled pretežno neispunjenih poželjnih svojstava nekonvencionalnih izvora energije. Tablica 1.3. Pretežno neispunjena poželjna svojstva nekonvencionalnih izvora [4]

Svojstvo izvora Poželjno MHE Su-T Su-E Vj. Bio. Geo.

Površinska distribucija Ravnomj.

Površinska gustoća Povoljna

Izvorno uskladištenje Moguće

Prirodna oscilacija Mala

Nužnost rezerve Ne treba

Zauzimanje prostora Povoljno

Stupanj djelovanja Povoljan

Mogućnost kogeneracije Moguća

9

Površinska distribucija (površinska raspodjela) Sunčeva zračenja po Zemlji najpravednija je od svih primarnih oblika energije, donekle biomase i otpada (otpada ima svugdje gdje ima aktivnosti ljudi a tu je potrebna i energija, nema ga tamo gdje nema ikakve ljudske aktivnosti pak tamo nema niti potrebe za energijom). Ostali nekonvencionalni oblici energije nisu ravnomjerno raspoređeni po Zemljinu globusu. Površinska gustoća mala je za Sunčevo zračenje, još manja za biomase i otpad, te nešto veća za vjetar (tamo gdje ga uopće ima raspoloživog za energetsko korištenje), jedino je kod malih hidroelektrana i kod toplih izvora površinska gustoća primjereno visoka. Na jedan četvorni metar na našoj geografskoj širini dostruji godišnje približno 1000 kilovatsati Sunčeva zračenja, a ako uzgojimo pšenicu na tom četvornom metru, slama će imati energetski sadržaj od samo 2 kilovatsata. Gdje je to usporedbi s naftnom bušotinom s godišnjim iscrpkom od recimo 100 tisuća tona čiji je energetski sadržaj otprilike 1 milijarda kilovatsati a zauzima površinu od par stotina četvornih metara! Općenito, izvorno se ne daju transportirati gotovo svi nekonvencionalni oblici energije, kao niti uskladištiti u izvornom obliku. Moraju se trošiti na mjestu i u ritmu svoga nastanka. Jedino se ogrjevno drvo, te biomasa i otpad daju transportirati na razumno veliku udaljenost (jer bi pretjerana udaljenost tražila više energije za transport od energetskog sadržaja tvari koja se prevozi, te bi to bilo nerazumno) i svakako se daju uskladištiti i koristiti u ritmu potreba. Oscilacija prirodnog dotoka velika je kod svih nekonvencionalnih oblika energije, jedino geotermalna energija ne poznaje oscilaciju, ravnomjerno dotječe iz svog izvora. Donekle, oscilacija dotoka ogrjevnog drveta manja je a uzevši u obzir i mogućnost njegova uskladištenja, oscilacija se dade kompenzirati. Biomase sazrijevaju praktički trenutno i onda se to ponavlja tek – u pravilu – za godinu dana. Vjetar ima oscilaciju od nula do preko sto posto, jer pri olujnom vjetru mora se obustaviti korištenje vjetrogeneratora, kao i pri vrlo malim brzinama vjetra. Kako je snaga vjetroturbine proporcionalna brzini vjetra na treću potenciju, to i mala promjena brzine predstavlja znatniju promjenu snage. Udvostručenje brzine vjetra vodi uosmerostručenju snage! Sunčevo zračenje jednako tako predstavlja izvor s oscilacijom 0-100%, jer ga noću uopće nema. Male HE također mogu biti na takvim vodotocima, koji u određenim prilikama znaju posve presušiti. Trajanje iskorištenja instalirane snage, dakle omjer godišnje proizvedene energije i instalirane snage, malo je kod svih izvora čije su prirodne oscilacije velike, jer su samo mali dio godišnjeg vremena u punom pogonu. Za sve oblike energije čije je trajanje godišnjeg iskorištenja malo mora se osigurati akumulacija energije, pak je onda koristiti iz akumulatora ako je dotok malen ili posve izostao a potražnja postoji. Ali, akumulacija praktički dolazi u obzir kod toplinskog korištenja Sunčeva zračenja (akumulator je dobro toplinski izoliran bojler) ili akumulacija manje količine električne energije u električnom akumulatoru kod fotonaponskog korištenja Sunčeva zračenja.

10

Veću količinu električne energije ne dade se ekonomično akumulirati u akumulatorima jer bi oni bili velikih masa i time preskupi, tako da se praktički kod svih drugih obnovljivih izvora poseže za elektroenergetskim sustavom kao rezervnim rješenjem ili dizel-generatorom. Ogrjevno drvo, biomasa i otpaci te geotermalna energija ne traže takvu rezervu. Potrebna rezerva u konvencionalnim postrojenjima može biti znatna, praktički može doći do udvostučenja instalacije na nacionalnoj razini. S jedne strane instaliramo postrojenja na nekonvencionalni izvor a s druge strane isto toliku konvencionalnu rezervu, koja će – k tome – biti slabije iskorištena jer neće raditi u razdobljima kada je nekonvencionalni izvor raspoloživ. Regulacijska svojstva takve rezerve moraju biti iznimno visoka jer je za dio nekonvencionalnih izvora karakteristična njihova brza a nepredvidljiva promjena. Prijenosna električna mreža koja povezuje područja gdje su takvi nekonvencionalni izvori s područjima u kojima je konvencionalna rezerva također mora biti pojačana. U Njemačkoj, gdje je trenutno istalirano preko 20 gigavata vjetroelektrana u pogonu (najviše u svijetu), moraju za svaki megavat u vjetroelektranama držati u rezervi još 0,85 megavata u konvencionalnim elektranama. Zauzimanje prostora na mjestu pretvorbe primarnog oblika energije u iskoristljiviji oblik veliko je pri korištenju svih nekonvencionalnih oblika, kod kojih je površinska gustoća mala. Za fotonaponsko korištenje Sunčeva zračenja to je izrazito naglašeno, a kod korištenja vjetra i kolektorskog korištenja Sunčeva zračenja nešto manje. Ogrjevno drvo te biomasa i otpaci traže nešto više prostora od onoga kojeg bi tražila konvencionalna termoelektrana jednake snage, uz nešto veći skladišni prostor. Ogrjevno drvo dade se i neposredno koristiti – u štednjaku, peći za zagrijavanje prostora ili sanitarne vode – pak onda traži samo prostor za uskladištenje. Geotermalna energija, ukoliko se koristi neposredno za zagrijavanje, troši najmanje prostora – jednostavno se cijev zabije u tlo i razvede po kućama. Stupanj djelovanja pri pretvorbi u koristan oblik općenito je malen ili manji nego li kod konvencionalnih izvora energije. Osobito je to naglašeno pri fotonaponskom korištenju Sunčeva zračenja kod kojega je prosječni stupanj djelovanja samo oko 10%, dakle za jedan kilovatsat dobiven iz sunčanih ćelija treba izložiti toliko površine da bude osunčana s deset kilovatsati. Veći je kod malih hidroelektrana, toplinskog korištenja Sunčeva zračenja kolektorima i neposrednog toplinskog iskorištavanja geotermalne energije. Suvremeni energetski pristup zalaže se za primjenu kogeneracije – dakle spregnutu proizvodnju toplinske i električne energije, što je više moguće, jer se time postiže veće iskorištenje primarnog oblika energije. Moguća je samo kod nekonvencionalnih izvora upotrebljenih kao gorivo u termoelektrama-toplanama ili ako se geotermalna energija koristi za pogon takve elektrane, dakle mora se raditi o vrlo vrućem izvoru (kakvih ima na Islandu). Također, u blizini postrojenja za pretvorbu mora biti primjereno velik toplinski konzum, inače se nema kamo isporučivati proizvedena toplina.

11

Troškovi pogona i održavanja postoje kod svih izvora. Neki se mogu ne iskazati, ako su radovi izvedeni u vlastitoj režiji, ali oni teoretski postoje. Podmazivanje, zaštita od korozije, elementarno čišćenje, redoviti periodički remonti... samo su neki od primjera troškova pogona i održavanja koji se ne daju izbjeći ako se hoće ostvariti poželjna životna dob pojedinog uređaja za prihvat i pretvorbu nekonvencionalnog oblika energije. 1.3.2. Emisija iz nekonvencionalnih izvora i vrijeme energetske amortizacije U tablici 1.4. prikazana je ukupna emisija klimatski štetnih plinova iz elektrana iskazana CO2-ekvivalentom. Vidimo da izravne emisije dakako nema kod vjetroelektrana i sunčanih elektrana, ali da je kod ovih drugih naglašena neizravna emisija, što takve elektrane svrstava u «kvazi- CO2-neutralne». U tablici 1.5. prikazano je vrijeme energetske amortizacije, dakle vrijeme koje treba proteći od početka korištenja do trenutka kada je proizvodnjom tog izvora energije vraćena energija utrošena prilikom proizvodnje opreme i materijala potrebnih za gradnju tog postrojenja. Postoji značajnije trajanje energetske amortizacije sunčanih elektrana, ovisno o vrsti primjenjenih ćelija. Pri tome su dakako monokristalne ćelije najskuplje, traže najviše energije za svoju proizvodnju i najviše opterećuju okolinu pri tome. Trebaju biti i do nekoliko godina u pogonu, kako bi vratile energiju uloženu u njihovu proizvodnju. Tablica 1.4. Ukupna emisija klimatski štetnih plinova iz elektrana (CO2-ekvivalent, gram/kWh) [4]

Tip elektrana Izravna emisija

Neizravna emisija

Ukupna emisija

Velike hidroelektrane 3,5-40 10-20 13,5-55 Male hidroelektrane 3,5-35 15-20 18,5-55 Vjetroelektrana 600 kW 0 40 40 Vjetroelektrana 1,5 MW 0 50 50 Elektrana na biomasu 700 kW 13 50 63 Elektrana na biomasu 11,5 MW 18 45 63 Velika fotoelektrična elektrana 0 180 180 Mala fotoelektrična elektrana 0 220 220 Konv.termoelektrane na plin 340 80 420 Konv.termoelektrane na kam.ugljen 820 100 920

Tablica 1.5. Vrijeme energetske amortizacije (godine) [4]

Tip energetskog postrojenja Energ.amortizacija

Hidroelektrana 0,2-0,3 Toplana za daljinsko grijanje 0,2-0,5 Nuklearna elektrana (LWR) 0,2-0,8 Vjetroelektrana 0,2-1,9 Fotonaponska-amorfne ćelije 2,6-4,6 Fotonaponska-multikristalne ćelije 3,1-6,8 Fotonaponska-monokristalne ćelije 4,2-7,1

12

1.3.3. Investicijski troškovi i troškovi pogona obnovljivih izvora energije Tablica 1.6. Troškovi malih izvora energije [4]

Tip izvora Veličina (MW)

Investicije (€/kW)

Troškovi pogona (€/kWh)

Vjetroelektrane (na kopnu) 15 900-1300 0,04-0,09 Vjetroelektrane (na moru) 100 1500-2000 0,05-0,12 Kombi-elektrane 40 550-850 0,04-0,06 Hidroelektrane (mali pad) 5 900-1000 0,02-0,03 Kogeneracija 5 800-850 0,05-0,06 Fotonaponski sustavi 5 6000-10000 0,75-1,00 Gorivne stanice 5 1100-1600 0,08-0,10

Uzmemo li da je vrlo uprosječen trošak investicija za termoelektranu na ugljen zaokruženo oko 1000 €/kW, izlazi da vjetroelektrane (ako su izvedene na moru) znaju koštati i dvostruko više, a fotonaponske elektrane čak deseterostruko više od toga. Troškovi pogona tih elektrana kreću se za vjetroelektrane od 4-12 eurocenta/kWh a za fotonaponske elektrane od 75 eurocenta do 1 eura po kilovatsatu. Uzmemo li da je prosječna proizvodna cijena konvencionalnih elektrana na europskoj elektroenergetskoj tržnici 3-3,5 eurocenta/kWh, vidimo da je cijena proizvodnje iz vjetroelektrana i trostruko veća od prosječne proizvodne cijene a iz fotonaponskih elektrana čak 30 puta veća! Drugi nekonvencionalni izvori dolaze na razine više od vjetroelektranske cijene, osim malih hidroelektrana u Austriji kojima donja granica cijene sumjerljiva europskoj proizvodnojj cijeni električne energije iz konvencionalnih elektrana. Valja naglasiti da se proizvodna cijena električne energije opada s razvojem tehnologije i opadanjem investicijskih troškova i troškova pogona, što je vidljivo i na slici 1.2. koja daje usporedbu proizvodne cijene od 1985. godine i prognozu do 2010. Ipak do postizanja konkurentnih proizvodnih cijena, otkupne cijene električne energije iz takvih izvora moraju biti poticajno visoke, inače za sada ne bi došla u obzir njihova izgradnja i korištenje.

Slika 1.2. Proizvodna cijena električne energije iz obnovljivih izvora ($/kWh)

13

U tablici 1.7. navode se otkupne cijene iz nekonvencionalnih izvora električne energije, kako su uređena zakonodavstvima ili uredbama u pojedinim zemljama. Odakle sredstva za namirenje tolikih otkupnih cijena? Zemlje su uglavnom uvele dodatak na cijenu električne energije, kojeg plaćaju svi kupci električne energije, a koji služi za isplate otkupne cijene proizvođačima električne energije iz nekonvencionalnih izvora, koja cijena je manje ili više veća od prosječne proizvodne cijene iz konvencionalnih izvora. U Hrvatskoj, Zakonom o energiji (NN 177/2004) [26] je također uvedena naknada za poticanje proizvodnje električne energije iz nekonvencionalnih izvora koju bi plaćali svi kupci [33], o čemu više u nastavnoj jedinici 2. Tablica 1.7. Otkupne cijene električne energije iz nekonvencionalnih izvora (eurocent/kWh), stanje 2003-2005

Država Male HE Vjetroelektrane

Elektrane na biomasu

Fotonaponske elektrane

Austrija 3,2-6,2 7,8 10-16 47-60

Danska 5,8 8,0 15,3-30,5

Francuska 4,5-8,4 3,1-8,4 4,5-5,7

Hrvatska 4,3-5,0 6,0

Irska 6,4 4,7-5,3 3,8-5,9

Italija 11,3

Nizozemska 7,7

Njemačka 6,6-7,7 5,9-8,8 6,6-9,9 40,7-57,4

Portugal 6,9 7,6-8,3 6,2 23,0-39,4

Španjolska 6,4 6,6 6,2 21,7-39,7 Ujed.kraljevstvo

8,8

14

1.4. Trenutno stanje korištenja obnovljivih izvora energije 1.4.1. Stanje u svijetu Na slici 1.3. prikazan je udio pojedinih izvora energije u svjetskoj proizvodnji električne energije. Iz dijagrama je vidljivo da se trenutno oko dvije trećine električne energije dobija iz fosilnih goriva (ugljena 40 %, prirodnog plina 20 % i nafte 7 %), dok su od ostalih izvora značajnije zastupljeni samo nuklearna i hidroenergija ( s udjelima od 16 %) i to uglavnom zbog konvencionalnih velikih hidroelektrana. Svi ostali, tj. nekonvencionalni izvori energije (isključujući hidroelektrane), usprkos njihovom značajnom poticanju i razvoju u posljednje vrijeme, u svjetskoj prizvodnji električne energije sudjeluju ukupno samo s 2 %, od čega daleko najviše biomasa (62%), potom energija vjetra (22%) i geotermalna energija (15%). Izravno korištenje energije sunčevog zračenja, kao plime i oseke u usporedbi s ostalim oblicima obnovljivih izvora gotovo je zanemarivo u ovom trenutku, ali ipak treba naglasiti da ulažu veliki znanstveno-istraživački napori kako bi se ubrazo tehnološki razvoj fotonaponskih ćelija s ciljem smanjenja investicijskih troškova i njihove značajnije uporabe.

Hidroenergija16%

OIE - bez HE2%

Nuklearna energija16%

Prirodni plin20% Nafta

7%

Ugljen39%

OIE - bez HE

Ugljen

Nafta

Prirodni plin

Nuklearna energija

Hidroenergija

Biomasa i otpad: 62%Vjetar: 22%Geotermalna en.: 15%Sunce: 1%Plima i oseka: 0%

Slika 1.3. Udio pojedinih izvora energije u svjetskoj proizvodnji električne energije

2004. godine - izvor: IEA, 2006.

1.4.2. Stanje u Europskoj Uniji Europska komisija, kroz Direktive vezane uz obnovljive izvore energije i smanjenje emisije stakleničkih plinova, kao i zemlje članice Europske unije (osobito Njemačka) najveći su zamašnjak razvoju obnovljivih izvora energije, o čemu će više riječi biti u nastavnoj jedinici 2. Regulativa obnovljivih izvora energije. Ovdje su na slikama 1.4. i 1.5. prikazani udjeli pojedinih obnovljivih izvora energije u ukupnoj proizvodnji primarne (slika 1.4.) te

15

2005

Geoterm. 5,5%

Biomasa 66,1%

Sunce 0,7%

Vjetar 5,5%

Hidro. 22,2%

2004

Hidro. 24,7%

Vjetar 4,9%

Sunce 0,6%Biomasa 64,1%

Geoterm. 5,6%

2004

Geoterm. 1,2%Biomasa 13,8%

Sunce 0,2%

Vjetar 13,9%

Hidro. 70,9%

2005

Hidro. 66,4%

Vjetar 16,3%

Sunce 0,3%

Biomasa 15,8%Geoterm. 1,2%

električne (slika 1.5.) energije koja dolazi iz obnovljivih izvora energije u zemljama EU 2004. i 2005. godine [7]. Kao što je vidljivo, u proizvodnji prirmarne energije najveći udio još uvijek ima biomasa i to prvenstveno ogrijevno drvo koje služi za proizvodnju toplinske energije, a slijedi hidroenergija koje se gotovo u cijelosti koristi za proizvodnju električne energije. U proizvodnji električne energije najveći udio je hidroenergije, čemu najviše doprinose konvencionalne velike hidroelektrane. S obzirom da trenutni trend tehnološkog razvoja, investicijskih troškova i proizvodnih cijena električne energije u ukupnoj proizvodnji električne energije slijedi energija vjetra (vjetroelektrane) i biomasa (osobito elektrane na krutu biomasu – drvo i drvne otpatke, te bioplin sa životinjskih farmi).

Slika 1.4. Udio pojedinih obnovljivih izvora energije u ukupnoj proizvodnji obnovljive primarne energije zemalja EU – izvor: EUrObserver ER 2006, 2007

Slika 1.5. Udio pojedinih obnovljivih izvora energije u ukupnoj proizvodnji obnovljive električne energije zemalja EU – izvor: EUrObserver ER 2006, 2007

16

1.4.3. Stanje u Republici Hrvatskoj - usporedba U Hrvatskoj udio obnovljivih oblika energije u proizvodnji električne 2000. godine bio je veći je od 50% što je naizgled izvrsna situacija. Očekivano povećanje je 5,8 % u 2010. godini, a daljnja povećanja udjela obnovljivih izvora energijepredmet pristupnih pregovora s EU. Pogleda li se udio obnovljivih izvora energije u proizvodnji električne u Hrvatskoj u usporedbi s vodećim „starim“ i „novim“ zemljama članicama Europske Unije na slici 1.6 . a) i b) vidljivo je da u ukupnom udjelu obnovljivih izvora pojedinih država, gdje Hrvatska zauzima visoku drugu poziciju velika većina potječe od velikih hidroelektrana, dok su ostali obnovljivi izvori zasada gotovo zanemareni. a) b)

Slika 1.6. Udio obnovljivih izvora u proizvodnji električne energije:

a) uključujući velike hidroelektrane, b) bez velikih hidroelektrana Naime, prema stanju iz 2005. Od 2071 MW ukupno instalirane snage u hidroelektranama, samo 24,23 MW u malim hidroelektranama (nekonvencionalni obnovljivi izvor). Osim u hidroelektranama, značajnijeg udjela ostalih obnovljivih izvora energije u proizvodnji električne energije praktički nema (zasada instalirana samo dva vjetroparka na Pagu i kod Šibenika snage 6 MW i 14 MW, te nekoliko postrojenja na biomasu), o čemu više u nastavnim jedinicama 3. Energija biomase i 4. Energija vjetra. Ipak, najnovija zakonska regulativa prikazana u 2. nastavnoj jednici vezana uz tarifni sustav cijena električne energije iz nekonvencionalnih izvora, kojom se nastoji potaknuti veća izgradnja takvih postrojenja, kao i značajan interes za izgradnjom vjetroelektrana u Hrvatskoj u posljednjih nekoliko godina jamstvo su da će se takvo stanje značajno promijeniti u skoroj budućnosti.

05

101520253035404550556065707580

CZ

HU

NG

ER

PO

L

ITA EU

GR

E

FRA

CR

O

PO

R

FIN

AU

T

%

1990.

1995.

2000.

0

2

4

6

8

10

12

14

CZHUN

GERPOL

ITA EUGRE

FRACRO

POR FINAUT

%

1990.1995.2000.

17

2. REGULATIVA OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE

2.1. Direktiva EU o obnovljivim izvorima Temeljni zakonski okvir i poticaj za razvoj obnovljivih izvora i tehnologija njihove uporabe u EU! 2001. godine Europska unija usvojila je Direktivu o obnovljivim izvorima (2001/77/EC) koja predstavlja obvezu za zakonodavstva zemalja-članica EU, u smislu povećanja udjela obnovljivih izvora u proizvodnji električne energije. U ukupnoj proizvodnji električne energije u 1997. godini prosječni udjel obnovljivih izvora bio je 13,9%, koji se mora u 2010. godini prosječno podići na 22,1%. U ukupne udjele prema direktivi uključene su i velike HE, iako se radi o konvencionalnom izvoru energije! Pri tome zadaće pojedinih zemalja različite su, ovise o zatečenom udjelu, objektivnim mogućnostima za njegovu bržu ili sporiju promjenu, te različitim obvezama pojedine zemlje u odnosu na Kyoto-protokol. U tablici 2.1. prikazani su minimalni udjeli obnovljivih oblika energije u proizvodnji električne energije usvojeni Direktivom 2001. godine. Tablica 2.1. Minimalni udio obnovljivih oblika energije u proizvodnji električne energije za zemlje EU-15 prema Direktivi 2001/77/EC

Zemlja Udio 1997. (%) obnovljivih izvora

Udio 2010. (%) obnovljivih izvora

Austrija 70,0 78,1 Belgija 1,1 6,0 Danska 8,7 29,0 Finska 24,7 31,5 Francuska 15,0 21,0 Grčka 8,6 20,1 Irska 3,6 13,2 Italija 16,0 25,0 Luksemburg 2,1 5,7 Nizozemska 3,5 9,0 Njemačka 4,5 12,5 Portugal 38,5 39,0 Španjolska 19,9 29,4 Švedska 49,1 60,0 Ujed. Kraljevstvo 1,7 10,0 Ukupno EU-15 13,9 22,1

Pri tome je vidljivo da je zatečeni udjel (1997) obnovljivih izvora u proizvodnji električne energije vrlo šaroliko raspoređen, da su zadaće postavljene pred pojedinu zemlju (2010)

18

također raznolike, a kod niza inače razvijenijih zemalja zatečeni udjel zapravo vrlo nizak (Belgija, Irska, Nizozemska, donekle Njemačka i – izrazito – Ujedinjeno Kraljevstvo). Nakon prijema 10 novih članica Europske unije, došlo je do nadopune Direktive 2001/77/EC, obuhvatom i tih zemalja. Sveukupno, u svih 25 zemalja-članica EU s udjela od 12,9% u 1997. godini treba postići udjel od 21% u 2010. godini, što je prikazano u tablici 2.2. Tablica 2.2. Dopuna Direktive 2001/77/EC za 10 novih članica

Zemlja Udio 1997. (%) obnovljivih izvora

Udio 2010. (%) obnovljivih izvora

Cipar 0,05 6,0 Češka 3,8 8,0 Estonija 0,2 5,1 Mađarska 0,7 3,6 Malta 0,0 5,0 Letonija 42,5 49,3 Litva 3,3 7,0 Poljska 1,6 7,5 Slovačka 17,9 31,0 Slovenija 29,9 33,6 Ukupno EU-25 12,9 21,0

Vlada Republike Hrvatske je na sjednici održanoj 22. ožujka 2007. godine, usklađujući propise o obnovljivim izvorima energije s onima u EU-u, propisala da do kraja 2010. godine minimalni udio električne energije iz obnovljivih izvora (ne odnosi se na velike hidroelektrane s instaliranom snagom većom od 10 MW) treba iznositi 5,8% u ukupnoj potrošnji električne energije [25]. Prijedlog nove Direktive EU za promoviranje korištenja obnovljivih izvora Prijedlog Direktive ima cilj uspostaviti ukupan udio od 20 % udjela obnovljivih izvora energije u energetskoj potrošnji i minimalan udio od 10 % biogoriva u prijevozu EU. Trenutno se radi na usklađivanju nacionalnih ciljeva: sve zemlje članice trebaju proizvoditi barem 5.75% više primarne energije u odnosu na referentnu 2005. godinu, a točan postotak povećanja svake zemlje određuje se prema BDP-u tako da se postigne 20% povećanje udjela obnovljivih izvora energije u krajnjoj potrošnji energije na razini EU. Ovaj cilj postavljen je u ožujku 2007. Jedan od problema u usklađivanju ciljeva je referentna 2005. godina koja ne odgovara naprednijim zemljama poput Austrije i Švedske. Nadalje, Njemačka je istakla problem utjecaja ove Direktive na njihove “certifikate o zelenoj energiji” - obveze elektroprivrede za otkupom obnovljive energije privatnih proizvođača po fiksnom tarifnom sustavu.

19

Trenutno se u Europskoj Uniji koristi 8.5% obnovljivih izvora energije u krajnjoj potrošnji energije, te je stoga potrebno povećati udjel za još 11.5%. Električna energija proizvedena u trećim zemljama a potrošena u EU također se može uključiti u postizanje nacionalnih ciljeva. U tablici 2.3. prikazani su usvojeni nacionalni ciljevi u Prijedlogu Direktive, usvojenom 23. siječnja 2008. godine, verzija 15.4. a pregovori oko konačne Direktive i dalje traju. Tablica 2.3. Prijedlog Direktive EU za promoviranje korištenja OIE, verzija 15.4

Zemlja Udio (%) OIE u krajnjoj potrošnji 2005.

Udio (%) OIE u krajnjoj potrošnji 2005.

Belgija 2,2 13 Bugarska 9,4 16 Češka 6,1 13 Danska 17,0 30 Njemačka 5,8 18 Estonija 18,0 25 Irska 3,1 16 Grčka 6,9 18 Španjolska 8,7 20 Francuska 10,3 23 Italija 5,2 17 Cipar 2,9 13 Latvija 34,9 42 Litva 15,0 23 Luksemburg 0,9 11 Mađarska 4,3 13 Malta 0,0 10 Nizozemska 2,4 14 Austrija 23,3 34 Poljska 7,2 15 Portugal 20,5 31 Rumunjska 17,8 24 Slovenija 16,0 25 Slovačka 6,7 14 Finska 28,5 38 Švedska 39,8 49 Velika Britanija 1,3 15 Ukupno EU-27 8,5 20,0

20

2.2. Obnovljivi izvori energije u hrvatskim zakonima Sve zemlje Europske unije preuzele su obveze promjene odnosa u energetskom sektoru temeljem zajedničkih pravila koja su određena direktivama oliberalizaciji tržišta električne energije i plina. U sklopu eurointegracijskih procesa Hrvatska je cjelokupni koncept reforme energetskog sektora kroz pravni i institucionalni okvir prilagodila zahtjevima EU-a, dakako,u granicama specifičnog rješenja. Značajan pomak u području obnovljivih izvora energije u Hrvatskoj se dogodio 22. ožujka ove godine kada je Vlada usvojila paket podzakonskih akata koji reguliraju to područje [25]. U novom zakonodavnom okviru kojim se uređuju odnosi u energetskom sektoru (NN 68/2001 i 177/2004) te strateškim dokumentima njegovog razvoja i zaštite okoliša kao što su: - Strategija energetskog razvitka Republike Hrvatske (NN 38/2002), - Nacionalna strategija zaštite okoliša (NN 46/2002), - nacionalni energetski programi i dr, učinkovito korištenje energije, kogeneracija i korištenje obnovljivih izvora utvrđeni su u skladu s postojećim stanjem u tom sektoru i razvojnim opredjeljenjem kao interes Republike Hrvatske. Poseban položaj OIE-a i kogeneracije definiran je i u Zakonu o energiji (NN 68/2001, 177/2004) koji eksplicitno izražava pozitivan stav prema njima pa se u njegovom članku 14, stavku 1. izrijekom kaže da je njihovo korištenje u interesu Hrvatske. Zbog specifičnosti obnovljivih izvora energije i kogeneracije te njihovog nerazvijenog tržišnog položaja potreban je značajan napor države i politička volja za poticanje novih i čistih tehnika te taj sektor može zaživjeti samo u reguliranim uvjetima uređenih odnosa i sustava u pogledu cijene i trajanja otkupa energije, uklonjenih administrativnih prepreka i dr. Za razvoj OIE-a i kogeneracije nužna je trajna skrb i praćenje provedbe s mogućnošću jednostavnog i brzog djelovanja na državnoj i lokalnoj razini. S aspekta zaštite tržišnog natjecanja i očuvanja poduzetničke i tržišne slobode osigurat će se nadzor nad funkcioniranjem svih koherentnih ekonomskih instrumenata. Kao što je spomenuto, prema Zakonu o energiji, korištenje obnovljivih izvora energije u interesu je Republike Hrvatske. Programe za primjenu i poticanje primjene obnovljivih izvora energije sukladno Strategiji energetskog razvitka i programima na državnoj razini priprema Ministarstvo gospodarstva, rada i poduzetništva, a na lokalnoj razini nadležna tijela jedinica lokalne i područne (regionalne) samouprave. Spomenuti programi sadrže poticajne mjere za učinkovito korištenje energije i obnovljivih izvora energije kroz sljedeće aktivnosti: obrazovanje, obavješćivanje, energetske savjete i izdavanje energetskih publikacija. Prema definiciji iz Zakona o energiji [26]: „...obnovljivi su izvori energije koji su sačuvani u prirodi i obnavljaju se u cijelosti ili djelomično, a posebno energija vodotoka, vjetra, neakumulirana Sunčeva energija, biogorivo (tekuće ili plinovito gorivo za pogon motora dobiveno iz biomase), biomasa, geotermalna energija.“

21

Vlada je na sjednici održanoj 22. ožujka 2007. godine odredila i naknade za poticanje proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije (tj. za istodobnu proizvodnju električne i toplinske energije) te tarifni sustav za proizvodnju električne energije iz tih izvora - vjetroelektrana, elektrana na biomasu, geotermalnih elektrana, elektrana na biogoriva itd. [25] Novi propisi (NN 33/2007) su: • Uredba o minimalnom udjelu električne energije proizvedene iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije čija se proizvodnja potiče [30] • Uredba o naknadama za poticanje proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije [33] • Tarifni sustav za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije [31] • Pravilnik o korištenju obnovljivih izvora energije i kogeneracije [32] • Pravilnik o stjecanju statusa povlaštenog proizvođača električne energije. Svi ovi propisi stupili su na snagu 1. srpnja 2007. godine. 2.2.1. Tarifni sustav za proizvodnju el. energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije Cilj Tarifnog sustava za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije (NN 33/2007) te Uredbe o naknadama za poticanje proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije je jasno definirati i konkretizirati mehanizme prikupljanja sredstava i mehanizama poticanja, temeljenih na cjenovnom pristupu za proizvođače. Tarifni sustav određuje pravo povlaštenog proizvođača na poticajnu cijenu koju operator tržišta plaća za isporučenu energiju, a temelji se na opravdanim troškovima poslovanja, održavanja, zamjene, izgradnje ili rekonstrukcije postrojenja koja koriste obnovljive izvore energije, odnosno kogeneraciju. Naknada za poticanje proizvodnje električne energije iz OIE-a i kogeneracije za svaku pojedinu tehnologiju, odnosno izvor obračunava se prema načelu reguliranog profita. Obvezu plaćanja naknade imaju svi kupci. Mehanizmom za prikupljanje i razdiobu sredstava upravlja operator tržišta (nadzor provodi MINGORP) te sklapa ugovorne odnose s povlaštenim proizvođačima. Tarifnim sustavom se utvrđuju tarifne stavke i njihove visine za isporučenu električnu energiju iz postrojenja koja koriste obnovljive izvore energije (tablice 2.4. i 2.5.) [31]. Za kogeneracijska postrojenja utvrđuju se tarifne stavke za isporučenu električnu energiju za vrijeme trajanja više (VT) i niže (NT) dnevne tarifne stavke, određene tarifnim sustavom za proizvodnju električne energije (tablica 2.6.) [31]. Uz to, utvrđen je i korekcijski faktor koji ovisi o udjelu domaće komponente u projektu za iskorištavanje obnovljivih izvora energije (tablica 2.7. [31]). Naime, strateški element reforme energetskog sektora i perspektive projekata energetske učinkovitosti, kogeneracije i obnovljivih izvore energije u Hrvatskoj svakako je izazov uključivanja

22

domaće industrije (Končar, TPK Orometal, Centrometal, Solaris i dr) u razvojne i proizvodne programe na tim područjima energetike. Hrvatska prerađivačka industrija pokazala je izrazit interes za proizvodnju opreme i komponenata za korištenje obnovljivih izvore energije što će u slučaju provedbe programa, primjerice, vjetroelektrana, bioenergana, malih hidroelektrana, solarnih kolektora i dr. imati izravne učinke na otvaranje novih radnih mjesta. Inače, za donošenje tarifnog sustava bilo je potrebno usuglašavanje. Primjerice, iako je postavljeni cilj od spomenutih 5,8% proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora sukladan Direktivi 2001/77/EZ, smatralo se kako su s obzirom na njezinu primjenu, članice EU-a imale su dulji rok za ostvarenje tog udjela, odnosno ciljeva (do 2010. godine). Isto tako, dotiranje iz proračuna na strani proizvodnje (u kWh) nije dopušteno jer bi se tada narušila tržišna pravila. Također nije određena ni gornja granica naknade, već stvarna visina ovisi o dinamici provođenja politike korištenja OIE-a i kogeneracije te o strukturi pojedinih izvora (tehnologija). Sustavom praćenja i izvještavanja MINGORP će pravdobno poduzimati odgovarajuće mjere [25]. Tablica 2.4. Visine tarifnih stavki (C) za postrojenja priključena na distribucijsku mrežu koja koriste OIE za proizvodnju električne energije instalirane električne snage do 1 MW (čl. 4.)

Tip postrojenja C (kn/kWh)

a. sunčane elektrane

a.1. sunčane elektrane instalirane snage do uključivo 10 kW 3,40

a.2. sunčane elektrane instalirane snage veće od 10 kW do uključivo 30 kW 3,00

a.3. sunčane elektrane instalirane snage veće od 30 kW 2,10

b. hidroelektrane 0,69

c. vjetroelektrane 0,64

d. elektrane na biomasu

d.1. kruta biomasa iz šumarstva i poljoprivrede (granjevina, slama, koštice…) 1,20

d.2. kruta biomasa iz drvno-prerađivačke industrije (kora, piljevina, sječka...) 0,95

e. geotermalne elektrane 1,26

f. elektrane na bioplin iz poljoprivrednih nasada (kukuruzna silaža...) te organskih ostataka i otpada iz poljoprivrede i prehrambeno-prerađivačke industrije (kukuruzna silaža, stajski gnoj, klaonički otpad, otpad iz proizvodnje biogoriva…)

1,20

g. elektrane na tekuća biogoriva 0,36

h. elektrane na deponijski plin i plin iz postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda 0,36

i. elektrane na ostale obnovljive izvore (morski valovi, plima i oseka...) 0,60

23

Tablica 2.5. Visine tarifnih stavki (C) za postrojenja priključena na prijenosnu ili distribucijsku mrežu koja koriste OIE za proizvodnju električne energije instalirane električne snage veće od 1 MW (čl. 4.)

Tip postrojenja C (kn/kWh)

a. hidroelektrane instalirane snage do uključivo 10 MW

- energija do uključivo 5000 MWh proizvedenih u kalendarskoj godini 0,69

- energija za više od 5000 MWh do uključivo 15000 MWh proizvedenih u kalendarskoj godini

0,55

- energija za više od 15000 MWh proizvedenih u kalendarskoj godini 0,42

b. vjetroelektrane 0,65

c. elektrane na biomasu

c.1. kruta biomasa iz šumarstva i poljoprivrede (granjevina, slama, koštice…) 1,04

c.2. kruta biomasa iz drvno-prerađivačke industrije (kora, piljevina, sječka i…) 0,83

d. geotermalne elektrane 1,26

e. elektrane na bioplin iz poljoprivrednih nasada (kukuruzna silaža...) te organskih ostataka i otpada iz poljoprivrede i prehrambeno-prerađivačke industrije (kukuruzna silaža, stajski gnoj, klaonički otpad, otpad iz proizvodnje biogoriva…)

1,04

f. elektrane na tekuća biogoriva 0,36

g. elektrane na deponijski plin i plin iz postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda 0,36

h. elektrane na ostale obnovljive izvore (morski valovi, plima i oseka…) 0,50

Tablica 2.6. Visine tarifnih stavki (C) za kogeneracijska postrojenja priključena na distribucijsku mrežu koja koriste OIE za proizvodnju električne energije (čl. 4.)

C

VT NT

Kogeneracijska postrojenja instalirane električne snage do uključivo 50 kW, tzv. mikrokogeneracije te sva kogeneracijska postrojenja koje koriste gorivne ćelije na vodik

0,61 0,32

Kogeneracijska postrojenja instalirane električne snage veće od 50 kW do uključivo 1 MW, tzv. male kogeneracije

0,51 0,26

Kogeneracijska postrojenja instalirane električne snage veće od 1 MW do uključivo 35 MW, tzv. srednje kogeneracije priključene na distribucijsku mrežu

0,44 0,22

Kogeneracijska postrojenja instalirane električne snage veće od 35 MW, tzv. velike kogeneracije, te sva kogeneracijska postrojenja priključena na prijenosnu mrežu

0,30 0,15

24

Tablica 2.7. Korekcijski faktori za tarifne stavke (C) ovisni o udjelu domaće komponente u projektu

Udio domaće komponente u projektu, p (%)

Korekcijski faktor, ko

60 i više 1,00

45 – 60

45 i manje 0,93

gdje je: ko je korekcijski faktor za udio domaće komponente između 45% i 60%, zaokruženo na dvije decimale, p-utvrđeni postotni udio domaće komponente. Pravna poveznica za prosječnu proizvodnu cijenu električne energije jednaka je cijeni proizvodnje električne energije za tarifne kupce iz kategorije kućanstva s jednotarifnim obračunom električne energije. Tarifni sustav u obzir je uzeo i socijalni učinak pa će, uz pretpostavljenu procjenu prosječne godišnje potrošnje električne energije za kućanstvo od 3500 kW h, naknada za poticanje proizvodnje električne energije iz postrojenja koja koriste obnovljive izvore enrgije i kogeneracijskih postrojenja povećati mjesečni račun za električnu energiju za oko 3 kune po kućanstvu. Proračun poticajnih cijena za pojedine obnovljive izvore energije rađen je uz zahtjev ostvarivanja interne stope povrata, odnosno uz pretpostavku da će se za razdoblje trajanja ugovora o otkupu električne energije od 12 godina postrojenje u potpunosti isplatiti. Nakon toga bit će moguće, s obzirom na razvoj tržišta zelene električne energije, ostvarivati pogodnosti kroz prodaju električne energije na otvorenom tržištu ili kroz nove ekološke institute za obnovljive izvore (zeleni certifikati i dr). Troškovi energije uravnoteženja (odstupanja u vrijednostima planirane i proizvedene električne energije iz postrojenja povlaštenih proizvođača koji imaju pravo na poticajnu cijenu) određeni su tako da za naredne dvije godine iznose 10% prosječne proizvodne cijene električne energije. Tijekom usuglašavanja Tarifnog sustava i uredbi razmatrana je posebna visina tarifnih stavki za vjetroelektrane, skaliranje za male hidroelektrane, uvođenje novih frakcija za biomasu, plaćanje naknade jedinicima lokalne samouprave na čijem su području proizvodni objekti (vjetroelektrane snage veće od 1 MW, geotermalne elektrane i male hidroelektrane) u iznosu 0,01 kn/kWh, godišnje korekcije visine tarifne stavke za indeks cijena na malo, analitičke podloge, CBA metodologija, simulacija izračuna naknade za poticanje po tri scenarija, energije i kogeneracije [25]. 2.2.2. Pravilnik o korištenju obnovljivih izvora energije i kogeneracije Pravilnik o korištenju obnovljivih izvora energije i kogeneracije, uvodi klasifikaciju obnovljivih izvora energije i kogeneracije koji se koriste za proizvodnju energije, propisuje uvjete i mogućnosti za korištenje, planiranje, projektiranje i izgradnju

25

postrojenja za njihovo iskorištavanje te uređuje način upisa u registar projekata koji se vodi u suradnji MINGORP-a, Hrvatske energetske regulatorne agencije i Hrvatskog operatora tržišta energije. Pri tome su kod umreženih toplinskih sustava uvjeti korištenja OIE-a regulirani na području tržišta toplinske energije, dok za individualne (neumrežene) električne, odnosno toplinske sustave koji koriste obnovljive izvore energije Vlada može donijeti posebne uvjete i poticajne mjere. Kada se radi o vjetroelektranama, uvedeno je rezervirano pravo njihovog građenja u slučaju da se istražno područje pokaže interesantnim, no prethodno odobrenje i odobrenje za izgradnju daje MINGORP [25]. 2.2.3. Uredba o minimalnom udjelu električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije čija se proizvodnja potiče Najvažniji naglasci iz Uredbe o minimalnom udjelu električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije čija se proizvodnja potiče (NN 33/2007) su sljedeći [25]: • minimalni udio obnovljivih izvora energije i kogeneracije koji su energetski subjekti za opskrbu (tarifnih i povlaštenih kupaca) obvezni preuzeti određuje Vlada • proizvodnja električne energije iz OIE-a i kogeneracije za Hrvatsku je ekonomski opravdana s gledišta izbjegnutih troškova lokalnih šteta u okolišu • u strukturi ukupne potrošnje električne energije do 2010. godine nekonvencionalni obnovljivi izvori trebaju iznositi 1139 GWh ili oko 5,8% • u strukturi ukupne potrošnje električne energije do 2010. godine svi obnovljivi izvori energije (uključujući i HE snage veće od 10 MW) trebaju iznositi 6750 GWh ili oko 34,4 % prema referentnom scenariju S2 iz Strategije energetskog razvitka ukupni udio obnovljivih izvora energije do 2010. godine trebao bi iznositi 40,2%. 2.2.4. Uredba o naknadama za poticanje proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije Uredba o naknadama za poticanje proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije (NN 33/2007) određuje iznos naknada za poticanje primjene obnovljivih izvora energije i kogeneracija koju će opskrba morati uključiti u cijenu energije, a u cilju prikupljanja sredstava za podmirenje inkrementalnih troškova poticanja obnovljivih izvora energije [25]. Naknade pri tome iznose od 0,0089 kn/kW h u 2007. do 0,0350 kn/kWh u 2010. godini. 2.2.5. Pravilnik o stjecanju statusa povlaštenog proizvođača električne energije Pravilnik o stjecanju statusa povlaštenog proizvođača električne energije, propisuje vrste postrojenja s obzirom na primjenu tehnologije obnovljivih izvora energije, odnosno kogeneracije, tehno-ekonomske specifi čnosti primjene te gospodarsku opravdanost, a također osigurava realne odnose i zdrave konkurentske sile na tržištu te poticanje razvoja hrvatskog tržišta električne

26

energije. Kao kriteriji pri tome služe stručna procjena uvjeta na tržištu, razvoj tehnologija i situacija u Hrvatskoj te usklađenost s relevantnim direktivama EU-a. S obzirom na to, promatraju se dvije osnovne skupine: instalirane električne snage manje od 1 MW priključena na distribucijsku elektroenergetsku mrežu, te instalirane električne snage veće od 1 MW priključena na prijenosnu ili distribucijsku elektroenergetsku mrežu [25].

Slika 2.1. Shema djelovanja tržišta električne energije iz obnovljivih izvora energije [25]

Slika 2.2. Ekonomski instrumenti za obnovljive izvore energije [25]

27

3. ENERGIJA BIOMASE

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

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

• drvna biomasa (ostaci iz šumarstva, otpadno drvo), • drvna uzgojena biomasa (brzorastuće drveće), • nedrvna uzgojena biomasa (brzorastuće alge i trave), • ostaci i otpaci iz poljoprivrede, • životinjski otpad i ostaci, • gradski i industrijski otpad.

Glavna prednost u korištenju biomase kao izvora energije su obilni potencijali, ne samo u tu svrhu zasađene biljne kulture već i otpadni materijali u poljoprivrednoj i prehrambenoj industriji. Plinovi koji nastaju korištenjem biomase mogu se također iskoristiti u proizvodnji energije. Prednost biomase u odnosu na fosilna goriva je i neusporedivo manja emisija štetnih plinova i otpadnih tvari. Računa se da je opterećenje atmosfere s CO2 pri korištenju biomase kao goriva zanemarivo, budući da je količina emitiranog CO2 prilikom izgaranja jednaka količini apsorbiranog CO2 tijekom rasta biljke (slika 3.1.) - ukoliko su sječa i prirast drvne mase u održivom odnosu – 1 hektar šumskih površina godišnje apsorbira jednaku količinu CO2 koja se oslobađa izgaranjem 88 000 litara loživog ulja ili 134 000 m3 prirodnog plina. Međutim spaljivanje biomase stvaraju se i drugi zagađujući plinovi te otpadne vode. Samo je u velikim pogonima isplativa izgradnja uređaja za reciklažu otpada, dok u manjim to nije isplativo pa se postavlja pitanje koliko je to u ekološkom smislu profitabilno. Osim toga, prikupljanje, transport i skladištenje biomase vrlo je skupo što je još jedan nedostatak ove tehnologije. Korištenje biomase omogućava i zapošljavanje (otvaranje novih i zadržavanje postojećih radnih mjesta), povećanje lokalne i regionalne gospodarske aktivnosti, ostvarivanje dodatnog prihoda u poljoprivredi, šumarstvu i drvnoj industriji kroz prodaju biomase-goriva (procjenjuje se da je u 2005. godini na poslovima proizvodnje biomase i njenog korištenja za energiju na području Europske unije bilo zaposleno preko pola milijuna ljudi).

28

Slika 3.1. Kumulativna CO2 neutralnost

(ukoliko je sječa usklađena sa prirastom – ekološki prihvatljivo)

Slika 3.2. Korištenje biomase i očekivani porast zaposlenosti u RHSlika 2.2.Scenarij doprinosa pri zapošljavanju korištenja biomase u Hrvatskoj

1- ukupno zaposleni 2-proizvodnja biomase 3-posluživanje postrojenja 4-proizvodnja postrojenja 5-prateće djelatnosti

29

3.2. Tehnologije proizvodnje energije iz biomase U ovom poglavlju objašnjeni su postupci dobivanja energije iz pojedinih vrsta biomase, kao i načini njihovog iskorištenja odnosno primjene za proizvodnju električne energije, topline, ali i za pokretanje automobila, tj. kao gorivo. 3.2.1. Drvna biomasa

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

a) b)

Slika 3.3. a) Briketi, b) Peleti

Biomasa se može izravno pretvarati u energiju jednostavnim sagorijevanjem (izgaranjem) te se tako proizvesti pregrijana vodena para za grijanje u industriji i kućanstvima ili za dobivanje električne energije u malim termoelektranama. Takva postrojenja kao gorivo koriste drvni otpad iz šumarstva i drvne industrije, slama i drugi poljoprivredni ostaci te komunalni i industrijski otpad (u središtu se Beča gradi velika kogeneracijska elektrana na biomasu koja će od ove godine proizvoditi toplinu za 12 000 obitelji, odnosno dovoljno električne energije za čak 45 000 obitelji). Osnovne su značajke pri primjeni šumske ili drvne biomase kao energenta jednake kao kod svakog goriva:

• kemijski sastav, • ogrjevna (energetska) vrijednost • temperatura samozapaljenja, • temperatura izgaranja , • fizikalna svojstva koja utječu na ogrjevnost (npr. gustoća, vlažnost i

dr).

30

Slika 3.4. Primjer grijanja kućanstva pomoću biomase Temeljna veličina za proračun energije iz određene količine drva jest njegova ogrjevnost (ogrjevna vrijednost). Najveći utjecaj na nju ima vlažnost (udio vlage-za svježe drvo 50-55 %), potom kemijski sastav, gustoća i zdravost drva (u 2,5 kg ogrjevnog drva-cca 20% vlage- u prosjeku sadržano je energije kao u 1 litri loživog ulja).

Ogrjevna vrijednost se određuje mjerenjem u kalorimetru, pri čemu zrak i gorivo u ložište moraju doći pod istom temperaturom i nastali produkti izgaranja moraju biti ohlađeni na istu temperaturu. Razlikujemo gornju i donju ogrjevnu vrijednost.

Gornja ogrjevna vrijednost, Hg je ona količina topline koja nastaje potpunim izgaranjem jedinične količine goriva, pri čemu se dimni plinovi ohlade na temperaturu 25 °C, a vlaga se iz njih izlučuje kao kondenzat.

Donja ogrjevna vrijednost, Hd je ona količina topline koja nastaje potpunim izgaranjem jedinične količine goriva, pri čemu se dimni plinovi ohlade na temperaturu 25 °C, a vlaga u njima ostaje u stanju pare te toplina kondenzata ostaje neiskorištena. Pri opisivanju efikasnosti sustava uzimamo u obzir donju ogrjevnu vrijednost jer je ona realna, tj. uzima u obzir gubitke (gornja ogrjevna vrijednost upotrebljava se samo teoretski).

Zbog većeg udjela vlage i hlapivih sastojaka (do 80%), energetska vrijednost drvne mase je znatno niža u odnosu na fosilna goriva, od 8,2 do 18,7 MJ/kg (za usporedbu: kamenog ugljena 24-37,7 MJ/kg, mrkog 12,7-23,9 MJ/kg, lignita do 12,6 MJ/kg), a i dizajn peći mora biti različit u odnosu na one za ugljen:

• izgaranje na rešetci (manji sustavi - manji troškovi, ali za vlažno neravnomjerno izgaranje, tj. veće emisije)

• fluidizirani sloj (veći sustavi - pogodno za goriva niske gorive vrijednosti, tj. sa većim udjelom vlage).

Za naše podneblje i vrste drveća važno je za njegovu ogrjevnost utvrditi ubraja li se ono u listače ili četinjače, odnosno u meko ili tvrdo drvo, jer je udio pojedinih

31

sastojaka pri tome različit, a različita je i tvar koja se može koristiti kao gorivo. Smanjenjem vlažnosti biomase ogrjevna vrijednost se uvelike povećava. Iz tog je razloga, za što bolje iskorištenje energije, korisno sušiti biomasu.

Slika 3.5. Modul skladištenja i sušenja biomase Koncepcija modula biomase je da se kompletna oprema ugrađuje dijelom unutar standardnog ISO – kontejnera, a dijelom na kontejneru. Modul biomase osigurava volumen skladišta biomase od 50 m3 čime je osigurana zaliha u skladištu za 30 - 35 sati rada postrojenja sa maksimalnim kapacitetom - što omogućava dopunjavanje skladišta biomase jedan puta dnevno. Kompletan sustav manipulacije sa biomasom u okviru modula je vođen mikroprocesorski. Za rad postrojenja - predviđena je usitnjena drvna biomasa do veličine od 50 mm (kora, sječka pilanskog i finalnog drvnog otpada, te usitnjena šumska biomasa) ili usitnjena poljoprivredna biomasa (oklasak i usitnjene stabljike kukuruza i suncokreta). Sušenje se provodi sa toplim zrakom temperature cca 100 oC -iz toplovodnog izmjenjivača. Topla voda koja zagrijava zrak za sušenje dovodi se iz vodom hlađenog ložišta zagrijača zraka za turbinu. Navedeni sistem sušenja omogućava skidanje vlage biomase za cca 20 %. U slučaju rada sa izrazito vlažnom biomasom - moguće je izvršiti dogradnju kanala za dovođenje dimnih plinova za sušenje (cca 220 oC) čime se može dodatno povećati sušenje uz povećanje energetske vrijednosti biomase do cca 20 %. 3.2.2. Nedrvna biomasa

Osim ostale nedrvne biomase, u Hrvatskoj bi osobitu važnost mogli imati ostaci iz poljoprivrede, tj. poljoprivredna biomasa (kukuruzovina, oklasak, stabljike suncokreta, slama, ljuske, koštice višanja, ostatke pri rezidbi vinove loze i maslina, kore od jabuka...). Iskustva iz razvijenih zemalja, u Europi osobito Danske, pokazuju kako se radi o vrijednom izvoru energije koji se ne bi trebao zanemariti. Ilustrativan je stoga sljedeći primjer. Nakon berbe kukuruza na obrađenom zemljištu ostaje kukuruzovina, stablijika s lišćem, oklasak i komušina. Budući da je

32

prosječni odnos zrna i mase (tzv. žetveni omjer) 53% : 47%, proizlazi kako biomase približno ima koliko i zrna. Ako se razluče kuruzovina i oklasak, tada je njihov odnos prosječno 82% :18%, odnosno na proizvedenu 1 t zrna kukuruza dobiva se i 0,89 t biomase kukuruza što čine 0,71 t kukuruzovine i 0,18 t oklaska. Iako je neosporno kako se nastala biomasa mora prvenstveno vraćati u zemlju, preporučuje se zaoravanje između 30 i 50% te mase, što znači da za energetsku primjenu ostaje najmanje 30%. Na ogrjevne vrijednosti nedrvne biomase podjednako utječu udio vlage i pepela. Udio pepela u nedrvenim biljnim ostacima može iznositi i do 20% pa značajno utječe na ogrjevnost (npr. slama-veći udio Na, Cl, K-manja temperatura taljenja pepala-taloženje). Općenito, supstance koje čine pepeo nemaju nikakvu energetsku vrijednost (energetska vrijednost biljnih ostataka: 5,8 – 16,7 MJ/kg). Osim ostataka i otpada postoji veliki broj biljnih vrsta koje je moguće uzgajati tzv. energetski nasadi sa velikim prinosima; kao što su brzorastuće drveće i kineske trske s godišnjim prinosom od 17 tona po hektaru, eukaliptus: 35 t suhe tvari, zelene alge s prinosom od 50 tona po hektaru, biljke bogate uljem ili šećerom, a u Hrvatskoj se najveći prinosi postižu s topolama,vrbama i jablanima…

Slika 3.6. Energetski nasadi 3.2.3. Bioplin Bioplin je miješavina plinova koja nastaje fermentacijom biorazgradivog materijala u okružju bez kisika. On je miješavina metana CH4 (40-75 %), ugljičnog dioksida CO2 (25-60 %) i otprilike 2 % ostalih plinova (vodika H2, sumporovodika H2S, ugljikovog monoksida CO). Bioplin je otprilike 20 % lakši od zraka i bez mirisa je i boje. Temperatura zapaljenja mu je između 650 i 750 0C, a gori čisto plavim plamenom. Njegova kalorijska vrijednost je oko 20 MJ/Nm3 i gori sa oko 60 %-om učinkovitošću u konvencionalnoj bioplinskoj peći. Bioplin se dobiva iz organskih materijala. Podrijetlo sirovina može varirati, od stočnih otpadaka, žetvenih viškova, ostataka ulja od povrća do organskih otpadaka iz kućanstava. Osim tih materijala, za proizvodnju bioplina može se koristiti i trava. Ali

33

fermentacijska postrojenja za travu moraju ispunjavati više tehničke zahtjeve od konvencionalnih bioloških bioplinskih postrojenja, koja koriste čvrsto ili tekuće gnojivo.

Postoje dva osnovna tipa organske digestije (razgradnje): aerobna (uz prisustvo kisika) i anaerobna (bez prisustva kisika). Svi organski materijali, i životinjski i biljni, mogu biti razgrađeni u ova dva procesa, ali produkti će biti vrlo različiti. Aerobna digestija (fermentacija) proizvodi ugljični dioksid, amonijak i ostale plinove u malim količinama, veliku količinu topline i konačni proizvod koji se može upotrijebiti kao gnojivo. Anaerobna digestija proizvodi metan, ugljični dioksid, nešto vodika i ostalih plinova u tragovima, vrlo malo topline i konačni proizvod sa većom količinom dušika nego što se proizvodi pri aerobnoj fermentaciji. Takvo gnojivo sadži dušik u mineraliziranom obliku (amonijak) koje biljke mogu brže preuzeti nego organski dušik što ga čini posebno pogodnim za oplemenjivanje obradivih površina. Anaerobna digestija (slika 1.) se odvija samo u specifičnim uvjetima među kojima su ulazna pH vrijednost ulazne mješavine izmešu 6 i 7, potrebna temperatura od 25-35 0C te određeno vrijeme zadržavanja mješavine u digestoru.

Slika 3.7. Proces dobivanja bioplina

Postrojenje za proizvodnju bioplina naziva se digestor. Budući da se u njemu događaju različite kemijske i mikrobiološke reakcije, poznat je i kao bioreaktor ili anaerobni reaktor. Glavna mu je funkcija da pruži anaerobne uvjete. Mora biti nepropustan za zrak i vodu. Može se napraviti od različitih materijala i različitih oblika i veličina, a to ovisi uglavnom o sirovini koji ćemo upotrijebiti. Sustavi namijenjeni za digestiju tekuće ili čvrste sirovine uglavnom se pune i prazne pomoću pumpi. Kompletni digestorski sustav se sastoji od jame za sakupljanje gnojiva, spremnika za miješanje, cijevi za odvođenje, digestora, spremnika i sustava za iskorištavanje plina. Dobiveni se bioplin najčešće koristi za dobivanje toplinske i/ili električne energije izgaranjem u kotlovima, plinskim motorima ili turbinama (korištenjem izmeta od 120 krava može proizvesti dovoljno bioplina za pogon motora snage 50 kW, što je dovoljno za pokrivanje potreba za električnom energijom manjeg sela).

Tablica 3.1. Količina bioplina i energije dobivena iz životinjskog otpada (ovisi o vrsti životinje)

34

Životinja Vrsta otpada

Količina (kg/dan)

Suho (kg/dan)

Bioplin (m3/dan)

Energija (kWh/god)

Tekući 51 5,4 1,6 3400

Goveda Suhi 32 5,6 1,6 3400

Tekući 16,7 1,3 0,46 970

Svinje Suhi 9,9 2,9 0,46 970

Perad Suhi 0,66 0,047 0,017 36

Termokemijske tehnologije pretvorbe biomase u energiju, osim sagorijevanja, su još i rasplinjavanje i piroliza. Rasplinjavanje se provodi na visokoj temperaturi (i do 1400˚C) uz ograničen dotok kisika, čime se povećava efikasnost proizvodnje električne energije u plinskoj turbini oko 35% (moguće i do 45%), u parnom kotlu na drva oko 20%. Glavni problem kod rasplinjavanja su plinske turbine koje su vrlo osjetljive na nečistoće u plinu (čestice, para) –potrebno pročišćavanje, a to je skupo. Sastav plina je CO, CH4 i H2, a svojstva ovise o dizajnu uređaja za rasplinjavanje (odozgo (protustrujno), odozdo (istostrujno) ili u sloju), temperaturi, vlažnosti i sastavu biomase, sredstvu rasplinjavanja (zrak: 4-6 MJ/Nm3 ili kisik: 15-20 MJ/Nm3 ). Piroliza je također termokemijski proces, s ograničenim dotokom kisika (druga faza sagorijevanja i rasplinjavanja), pri čemu dolazi do isparavanja hlapljivih sastojaka i proizvodnje tekućeg goriva (bio-ulja), pogodnije za transport i skladištenje (manji troškovi). Složeni je proces: vrlo promjenjiva svojstva bio-ulja ovisno o uvjetima i sirovini, ulje slično nafti. Znatan potencijal (npr. piroliza otpada), ali potrebna ulaganja u istraživanje i razvoj, za sada malo primjera komercijalnih postrojenja. 3.2.4. Alkoholna goriva (etanol) Osnovne faze u procesu proizvodnje etanola su: priprema sirovine, fermentacija i destilacija etanola. Priprema sirovine je zapravo hidroliza molekula škroba enzimima u šećer koji može fermentirati. Uobičajena tehnologija za proizvodnju etanola je fermentacija u peći s običnim kvascem za proizvodnju 8 do 10%-tnog alkohola nakon 24 do 72 h fermentacije. Nakon toga slijedi destilacija tog alkohola u nekoliko faza čime se dobiva 95%-tni etanol. Za proizvodnju posve čistog etanola, kakav se koristi za miješanje s benzinom, dodaje se benzen i nastavlja destilacija te se dobiva 99,8%-tni etanol.

Etanol se može proizvoditi od tri osnovne vrste biomase: šećera (od šećerne trske, melase), škroba (od kukuruza) i celuloze (od drva, poljoprivrednih ostataka). Sirovine bogate šećerima vrlo su pogodne za proizvodnju etanola, budući da već sadržavaju jednostavne šećere glukozu i fruktozu koji mogu fermentirati izravno u

35

etanol. Sirovine bogate škrobom sadržavaju velike molekule ugljikovodika koje treba razložiti na jednostavne šećere procesom saharifikacije. To zahtijeva još jednu fazu u procesu proizvodnje što povećava troškove. Ugljikovodici u sirovinama bogatim celulozom sastavljeni su od još većih molekula i trebaju se konvertirati u šećere koji mogu fermentirati kiselom ili enzimatskom hidrolizom. Najznačajnije biljne vrste koje se uzgajaju za proizvodnju etanola su šećerna trska, slatki sirak, cassava i kukuruz. Tablica 3.2. Prinos etanola iz raznih sirovina Sirovina Prinos etanola

(l/t) Prinos sirovine

(t/ha) Prinos

alkohola (l/ha)

God. energija (GJ/ha)

Šećerna trska 70 50 3500 1350 Slatki sirak 86 35 3010 945 Kukuruz 370 6 2200 162 Drvo 160 20 3200 540 Etanol se može koristiti u motorima s unutarnjim izgaranjem uz dodavanje benzinu ili kao njegova potpuna zamjena. Za dodavanje do 20% etanola u benzin nisu potrebne nikakve preinake ni zahvati na motoru, dok za dodavanje većeg udjela ili za pogon samo na etanol treba djelomično modificirati motor što poskupljuje cijenu takvih vozila za oko 5 do 10%.

Vodeća zemlja u proizvodnji i primjeni etanola za vozila je Brazil, u kojem se svake godine proizvede više od 15 milijardi l. Oko 15% brazilskih vozila se kreće na čisti etanol, a oko 40% koriste 20%-tnu smjesu s benzinom. Etanol se počeo proizvoditi kako bi se smanjila brazilska ovisnost o inozemnoj nafti i otvorilo dodatno tržište domaćim proizvođačima šećera U SAD-u etanolske smjese čine oko 9% ukupne godišnje prodaje benzina.

Za proizvodnju metanola mogu se koristiti sirovine s visokim udjelom celuloze kao što je drvo i neki ostaci iz poljoprivrede. Tehnologija je posve različita od one za proizvodnju etanola. Proizvodnja se odvija u dvije faze. U prvoj se sirovina konvertira u plinoviti međuproizvod iz kojeg se sintetizira metanol. Faza sinteze metanola je dobro poznata i komercijalno dokazana, dok je faza rasplinjavanja još u razvoju. Takva istraživanja se provode u zemljama s velikim drvnim potencijalom kao što su Švedska i Brazil, a primjena takvih postrojenja se očekuje uskoro.

36

Tablica 3.3. Usporedba svojstava alkoholnih goriva i benzina Svojstvo Etanol Metanol Benzin Gustoća (kg/m3) 789 793 720-750 Ogrjevna vrijednost (MJ/kg) 21,3-29,7 15,6-22,3 32,0-46,5 Stehiometr. omjer zraka i goriva (kg/kg)

9,0 6,5 14,6

Temperatura vrenja pri 1 bar (oC) 7,5 65,0 30,2 Stupanj viskoznosti - 0,58 0,60 Oktanski broj 106 112 91-100 3.2.5. Biodizel Biodizel je komercijalni naziv pod kojim se metil-ester, bez dodanog mineralnog dizelskog goriva, nalazi na tržištu tekućih goriva i prodaje krajnim korisnicima. Standardizirano je tekuće nemineralno gorivo, neotrovan, biorazgradivi nadomjestak za mineralno gorivo, a može se proizvoditi iz biljnih ulja, recikliranog otpadnog jestivog ulja ili životinjske masti procesom esterifikacije, pri čemu kao sporedni proizvod nastaje glicerol. Metil-ester je kemijski spoj dobiven reakcijom (esterifikacija) biljnog ulja (uljana repica, suncokret, soja, palma, ricinus itd.) ili životinjske masti s metanolom u prisutnosti katalizatora. Izbor osnovne sirovine za dobijanje biodizela zavisi od specifičnih uslova i prilika u konkretnim zemljama, u Europi se za proizvodnju biodizela najviše koristi ulje uljane repice (82,8%) i ulje suncokreta (12,5%), dok se u Americi najviše koristi ulje soje, a u azijskim zemljama se koristi i palmino ulje.

Slika 3.8. Izbor osnovne sirovine za dobijanje biodizela u Europi Prednosti biodizela: osim što je po svojim energetskim sposobnostima jednak običnom dizelu, ima puno bolju mazivost, pa značajno produžava radno trajanje

37

motora. Najvažnije su njegove osobine vezane uz smanjenje onečišćenja okoliša. Ukupna emisija CO2 ekvivalenta (g/km) biodizela ovisi o uporabljenoj sirovini: za biodizel iz suncokreta oko 50 g/km, za biodizel iz uljane repice oko 110 g/km, dok je ona čak i negativna rabi li se za proizvodnju biodizela otpadno jestivo ulje. Za usporedbu kod klasičnog dizela ukupna emisija CO2 ekvivalenta iznosi oko 220 g/km. Uz to valja naglasiti da dolazi do smanjenja emisije CO za 42,7 %, ugljikohidrata za 56,3 %, krutih čestica za 55,3 %, toksina za 60 do 90 % uz potpunu eliminaciju sulfata. Moguća je proizvodnja i u kućnoj radinosti. Lakša je zapaljiv. Transport biodizela gotovo je potpuno neopasan za okoliš, jer se dospjevši u tlo razgradi nakon 28 dana. Ako nafta tijekom manipulacije ili transporta dospije u vodu, jedna litra zagadi gotovo milijun litara vode, dok kod biodizela takvo zagađenje ne postoji, jer se on u vodi potpuno razgradi već nakon nekoliko dana. Nedostaci biodizela: postoji mogućnost začepljenja injektora, miris prženog ulja iz ispuha, visoka viskoznost, manja energetska vrijednost: 37,2 MJ/l (nafta 42, MJ/l ) – veća potrošnja. Pri proizvodnji biodizela iz uljane repice, nastaje čitav niz veoma profitabilnih nusprodukata, poput pogače ili sačme, koja je visokovrijedan proteinski dodatak stočnoj hrani, dobivamo i glicerol, koji se koristi kao sirovina u kozmetičkoj i farmaceutskoj industriji.Na kraju tehnološkog procesa, kao nusprodukt se dobiva i uljni mulj, koji se koristi kao visokokvalitetno gnojivo za povrtne kulture u ekološkoj poljoprivredi. Zbog svojih brojnih pozitivnih osobina, biodizel je svoju najširu primjenu našao upravo u ekološkoj poljoprivredi, gdje je, po međunarodnim kriterijima, i jedini dopustivi energent. Bez uporabe biodizela (ili nekog drugog biogoriva), danas se u EU ne može dobiti certifikat o čistoći ekološki proizvedenih poljoprivrednih proizvoda. 3.2.6. Energija otpada Ubrzani razvitak industrije, a osobito potrošački organizirano društvo, uzrokovali su globalnu "ekološku" krizu, koja se u razvijenim državama očituje poglavito kao problem zbrinjavanja otpada. Nekontrolirano i neodgovorno odložen otpad ugrožava zdravlje ljudi i okoliš, a brojni su primjeri u kojima je dokazano oštećenje zdravlja ljudi zbog neodgovornog postupanja s otpadom. Svjetska iskustva pokazuju da je problem otpada moguće riješiti samo cjelovitim sustavom gospodarenja. Primarni cilj je zbrinjavanje gradskog otpada, a tek potom proizvodnja energije (iskorištavajući «zeleni dio» recikliranog kućnog otpada, biomasu iz parkova i vrtova, mulj iz kolektora otpadnih voda) jer su za to potrebni veliki investicijski troškovi (oko US$ 4000/kW). Termička obrada otpada Korištenje energije otpada za grijanje i/ili proizvodnju električne energije jedan je od načina za učinkovitu uporabu otpada uz, ukoliko se provodi ispravno, minimalan utjecaj na okoliš. Postupci termičke obrade otpada, poglavito u urbaniziranim - gusto naseljenim sredinama, omogućuju istovremeno neutraliziranje štetnih svojstava i njegovo energetsko iskorištavanje. Postoje različite tehničke mogućnosti termičke obrade otpada, od kojih je

38

sagorijevanje otpada dosad najviše korišteno. Oko potrebe i mogućnosti primjene izgaranja komunalnog otpada u Hrvatskoj i svijetu provedene su brojne rasprave. U svijetu stalno raste broj postrojenja za termičku obradu otpada izgaranjem i ta se tehnologija najviše koristi upravo u razvijenim državama. Mogućnost kogeneracije energije otpada, u okvirima cjelovitog sustava gospodarenja energijom, obuhvaća vrednovanje deponijskog plina kod uređenih suvremenih deponija, bioplina kod takozvane anaerobne hladne obrade otpada i termičku obradu otpada pomoću različitih postupaka otplinjavanja, rasplinjavanja, sagorijevanja i različitih kombinacija tih postupaka. Proizvodnja energije iz otpada u svijetu nije rijetkost. Tako se danas u Švedskoj otpad energetski iskorištava u 21-om postrojenju za spaljivanje, čime se godišnje zbrinjava 1,7milijuna tona otpada (oko polovice ukupne količine komunalnog otpada). Deponijski plin Osim navedenog načina termičke obrade otpada, moguće je proizvoditi i bioplin iz deponijskog otpada na suvremenim uređenim deponijama procesom takozvane anaerobne hladne obrade otpada. U industrijskim zemljama nastaje 300-400 kg smeća godišnje po osobi. Deponijski plin nastaje razgradnjom organskih supstanci pod utjecajem mikroorganizama u anaerobnim uvjetima. U središtu deponije nastaje nadpritisak, pa deponijski plin prelazi u plinske sonde sabirnog sustava. Prosječan sastav deponijskog plina je 35-60 % metana, 37-50 % ugljen-dioksida i u manjim količinama se mogu naći ugljen-monoksid, dušik, vodik-sulfid, fluor, klor, aromatični ugljikovodici i drugi plinovi u tragovima. Ovaj koncept podrazumijeva postavljanje vertikalnih perforiranih cijevi u tijelo deponije (bunari, trnovi, sonde) i njihovo horizontalno povezivanje. U kompresoru deponijski plin se isisava, suši i usmjerava ka plinskom motoru. Iz sigurnosnih razloga preporučuje se ugradnja visokotemperaturne baklje koja preuzima viškove plina. Deponijski plin sa prosječnim sadržajem metana od 50 % ima donju ogrjevnu vrijednost Hd=5 kWh/Nm3, što ga čini dobrim gorivom za pogon plinskih motora specijalno razvijenih za ovu namjenu. Plinski motor pokreće generator za proizvodnju električne energije. Putem izmjenjivača topline, dobije se toplinska energija iz vode koja hladi motor i ulje za podmazivanje, kao i iz ispušnih plinova. Kod kombinirane upotrebe električne i toplinske energije postiže se visok stupanj korisnosti ovih uređaja ( elη = 40%, termη = 43%). Ovo znači da se iz 1 Nm3 deponijskog plina (uz Hd = 5kWh/Nm3) dobije 2 kWh električne energije i 2,15 kWh toplinske energije. Dobivena električna energija koristi se za vlastite potrebe ili se predaje u električnu mrežu. Proizvedena toplina koristi se na deponiji za proizvodnju tople vode, u staklenicima i plastenicima za proizvodnju ranog povrća i cvijeća, u industrijskim pogonima u blizini deponije, ili za grijanje stambenih zgrada kao i kod drugih potrošača toplinske energije.

39

3.2.7. Kogeneracija Radi povećanja stupnja djelovanja koristi se kogeneracija – istovremena proizvodnja toplinske i električne energije, pri čemu je potreban potrošač topline (npr. šumarska industrija). Male kogeneracijske elektrane su višenamjenski objekti, koji iz fosilnih goriva i biomase postupkom kogeneracije proizvode električnu i toplinsku energiju, a u određenim slučajevima proizvodi se i hladna voda za potrebe hlađenja. Goriva za pogon malih kogeneracijskih elektrana su plinovita, tekuća i kruta. Odgovarajuće toplinske snage ovise o vrsti energetskog agregata i kreću se u rasponu 20-20000 kWe. Osnovna prednost malih kogeneracijskih elektrana u odnosu na odvojenu proizvodnju električne i toplinske energije je smanjenje troškova goriva za proizvodnju navedene energije, a time i smanjenje zagađenja okoliša. Pri odvojenoj proizvodnji električne i toplinske energije moguće je postići ukupan stupanj djelovanja do 50 % (veliki gubici pri odvojenoj proizvodnji električne energije). U kogeneracijskim postrojenjima taj ukupan stupanj djelovanja raste i do 80 %. Pored prednosti kogenerativne proizvodnje energije, korištenjem malih kogeneracijskih elektrana (što je osobito čest slučaj kod biomase) otpada prijenos na veće udaljenosti, jer se toplina i struja proizvode okolišno prihvatljivo u težištima potrošnje. Toplina se predaje izravno u objektu ili u obližnju toplinsku mrežu. Električna energija se također koristi u objektu, a višak se isporučuje u postojeću lokalnu niskonaponsku, ili srednjenaponsku mrežu. Prednost malih kogeneracijskih elektrana je i u modularnoj izvedbi, pa se veličina malih kogeneracijskih objekata može prilagoditi porastu potrošnje električne i toplinske energije stupnjevitom izgradnjom odnosno dodatnim modulima. Postojeće toplane i rezervni električni agregati mogu se dograditi, odnosno rekonstruirati u male kogeneracijske elektrane. U prednosti malih kogeneracijskih elektrana mogu se još ubrojiti relativno mala dodatna ulaganja isplativa za nekoliko godina, lokacija je redovito u okviru industrijskog ili javnog objekta što olakšava ishođenje dozvola i kratak rok izgradnje, te kratak rok izgradnje zbog modulne izvedbe. Međutim, kogeneracija nije isplativa u svim uvjetima. Ona je isplativa za odgovarajuću kombinaciju potrošnje električne i toplinske energije. Kako je višak električne energije u svakom trenutku moguće prodati elektroenergetskom sustavu do snage 5 MWe, onda je zapravo toplinsko opterećenje determinirajuće za isplativost malih kogeneracijskih elektrana. Ako toplinsko opterećenje traje više od 3000-5000 sati godišnje za očekivati je isplativost kogeneracije. Najzanimljiviji objekti za primjenu kogeneracije su oni kod kojih se toplinska energija troši što stalnije i što duže tijekom dana, tjedna i godine. Isto tako zanimljivi su slučajevi gdje postoje otpadna goriva, kao što su različite vrste bioplina (deponijski, muljni, destilacijski i sl.), te drvni otpad. Plinskoturbinska kogeneracija Plinskoturbinska kogeneracija zasniva se na plinskim turbinama otvorenog ciklusa, koje u sprezi s generatorom proizvode električnu energiju. Na slici 3.9. prikazana je shema plinskoturbinske kogeneracije [44].

40

Slika 3.9. Shema plinskoturbinske kogeneracije Plinska turbina primjenjuje se kod koncipiranja malih kogeneracijskih elektrana najčešće za veće snage, iznad 1 MWe. Plinske turbine odlikuju se: velikom učinkovitošću, malo zagađenje okoliša, velika pouzdanost, niska cijena izgradnje, potreban mali prostor, mogućnost modulne izvedbe, kratko vrijeme do pune snage. U tablici 3.4. prikazane su značajke plinskoturbinskih agregata za kogeneraciju. Tablica 3.4. Značajke plinskoturbinskih agregata za kogeneraciju

Električna snaga agregata [kWe]

Specifični potrošak topline [kJ/kWhe]

Korisna toplinska snaga

[kWt] Gorivo

25-150 12000-10000 40-200 Loživo ulje 200-1000 10000-8000 250-1200 Loživo ulje, plin 1000-2500 9000-8500 1200-2600 Loživo ulje, plin 2500-5000 8500-7500 2600-5000 Loživo ulje, plin

Termomotorna kogeneracija Termomotorna kogeneracija zasnovana je na motorima s unutarnjim izgaranjem (otto i dizel), koji u sprezi s generatorima proizvode električnu energiju, a korištenjem otpadne topline ispušnih plinova i rashladne vode proizvode i toplinu u obliku vrele vode i/ili pare. Na slici 3.10. prikazana je shema termomotorne kogeneracije. Termomotori se primjenjuju u širokom rasponu snaga od 10 kWe do nekoliko MWe. Temperaturna razina korisne topline za primjenu termomotora je do maksimalno 115°C, a najpovoljnije je oko 80°C. Pozitivne osobine kao na primjer: visoka učinkovitost (do 50 %), velika pouzdanost, lako održavanje, mala težina i potrebni prostor, paketna izvedba, dobro ponašanje kod djelomičnih opterećenja, te kratko vrijeme do pune snage, dovele su do brzog prodora termomotora u područje kogeneracije.

KI

Para (vrela voda) Potrošači topline

Gorivo Ispuh

Zrak

Kompresor Plinska turbina

Komora izgaranja

G Električna energija

Ispušni kotao

41

Slika 3.10. Shema termomotorne kogeneracije

Termomotori za male kogeneracijske elektrane se pojavljuju u dvije osnovne izvedbe: plinski motori i dizel motori. Plinski motori najčešće se primjenjuju za manje jedinice, a koriste sve vrste plinovitih goriva od prirodnog plina do raznih vrsta bioplina. U malim kogeneracijskim elektranama se primjenjuju dvije vrste plinskih motora: modificirani automotori i industrijski plinski motori. U tablici 3.5. i 3.6. su prikazane značajke kogeneracijskih agregata na bazi modificiranih automotora i na bazi industrijskih plinskih motora [44]. Tablica 3.5. Značajke kogeneracijskih agregata na bazi modificiranih automotora

Električna snaga

agregata [kWe]


Korisna toplinska snaga [kWt]

Gorivo

15 12960 39 plin 38 12900 70 plin 75 12400 130 plin

145 12160 265 plin Tablica 3.6. Značajke kogeneracijskih agregata na bazi industrijskih plinskih motora

Električna snaga

agregata [kWe]


Korisna toplinska snaga [kWt]

Gorivo

25-150 13000-11000 50-250 plin 200-1000 12000-10000 350-1400 plin 1000-2500 10500-9500 1400-3500 plin 2500-5000 10000-9500 3500-7000 plin

Kogeneracijski moduli na bazi dizel motora izvode se u širokom rasponu električnih snaga od 25 kWe do 5000 kWe. U području manjih snaga obično su paketne izvedbe. U tablici 3.7. prikazane su značajke kogeneracijskih agregata na bazi dizel agregata.

Dimnjak

Gorivo

Potrošač

Električna energija

Agregati Vršni kotao

Toplinski akum.

42

Tablica 3.7. Značajke kogeneracijskih agregata na bazi dizel agregata




[kWt] Gorivo

25-150 12000-10000 40-200 loživo ulje 200-1000 10000-8000 250-1200 loživo ulje, plin 1000-2500 9000-8500 1200-2600 loživo ulje, plin 2500-5000 8500-7500 2600-5000 loživo ulje, plin

Parnoturbinska kogeneracija Parnoturbinska kogeneracija zasniva se na protutlačnim ili kondenzacijsko-oduzimnim parnim turbinama, koje u sprezi s električnim generatorom proizvode toplinsku i električnu energiju. Za proizvodnju toplinske energije koristi se toplina od kondenzacije pare, koja bi se inače morala odvesti rashladnom vodom. Na slici 3.11. je prikazana parnoturbinska kogeneracija.

Slika 3.11. Shema parnoturbinske kogeneracije Parnoturbinska kogeneracija ima opravdanja za korištenje krutog goriva: ugljena, drvnih otpadaka i biomase, ali kao lokalnih izvora. Kotlovi za proizvodnju pare u sustavu parnoturbinskog postrojenja dijele se na: kotlove ložene ugljenom, drvnim otpatcima, ili biomasom u vrtložnom ložištu, ili s roštiljnim loženjem. U tablici 3.8. prikazane su značajke parnoturbinskih postrojenja za kogeneraciju [44]. Tablica 3.8. Značajke parnoturbinskih agregata za kogeneraciju




[kWt] Gorivo

do 1000 25000-20000 do 5000 biomasa, ugljen

1000-2500 21000-16000 5000-10000 biomasa, ugljen

2500-5000 17000-13000 10000-20000 biomasa, ugljen

Parni kotao

G


Parna turbina

Napojna voda

Topla voda

Dodatna voda Kondenzat

Para

Para

Para

Gorivo

Zrak

Ispuh

Izmjenjivač topline

43

3.3. Potencijali i proizvodnja biomase S obzirom da potencijali drvne biomase izravno ovise o sadnji, prikazat će se neki potencijali proizvodnje bioplina, te biodizela u svijetu. 3.4.1. Energetski potencijali biomase u EU Tablica 3.9. Količina energije koje je potencijalno moguće dobiti iz bioplina za 2020. godinu u zemljama EU-15.

Ukupna količina

biomase, mil. tona

Ukupna energija iz bioplina, TWh/god

Ukupna energija iz bioplina, PJ

Austrija 36.1 6.1 22.0 Belgija 52.0 8.8 31.7 Danska 52.5 8.9 32.0 Finska 18.5 3.1 11.3 Francuska 251.9 42.7 153.7 Njemačka 234.6 39.8 143.2 Grčka 11.4 1.9 7.0 Irska 70.5 11.9 43.0 Italija 112.0 19.0 68.3 Luksemburg 2.08 0.4 1.3 Nizozemska 80.8 13.7 49.3 Portugal 22.0 3.7 13.4 Španjolska 108.2 18.3 66.0 Švedska 26.3 4.4 16.0 U. Kraljevstvo 155.4 26.3 94.8 Ukupno EU-15 : 1 234.3 209,0 753.0

Slika 3.12. Svjetska proizvodnja bioplina od 1991. do 1998.

44

U posljednjih 15 godina proizvodnja je znatno skočila, s gotovo nula tona u 1991. na 580 000 tona u 1998. godini. Prošle se godine proizvelo oko 3,5 milijuna tona biodizela, od čega gotovo 90% proizvodnje otpada na zemlje EU. Vodeći proizvođači biodizela su Njemačka, s više od 400 000 i Francuska sa 120 000 tona godišnje. Slijede Italija, Češka, Belgija, Austrija, i Švedska. U Njemačkoj i Austriji trenutačno radi više od tisuću biodizelskih crpki, koje ekološko gorivo prodaju znatno jeftinije od fosilnog eurodizela. 3.4.2. Energetski potencijali biomase u Hrvatskoj Hrvatska ima veliki šumski potencijal s gotovo 45% teritorija prekriven je šumom-ukupni godišnji prirast je 9.6 milijuna m

3, s razvijenom drvnom industrijom te

značajnim udjelom poljoprivrede i stočarstva u ukupnom gospodarstvu, a to znači izvrsna osnova za proizvodnju energije iz biomase (posebice u Slavoniji, gdje je osobito izražen potencijal korištenja poljoprivredne biomase)! Sa slici 3.13. vidljivo je da kontinentalni dio ima puno veći biopotencijal od primorskog, jer je veliki dio našeg primorja vrlo škrto kamenito tlo. Trenutno se koristi oko 16 PJ energije iz biomase (podatak iz 1998. god., 354 PJ ukupna potrošnja energije - dakle samo oko 4.5 %) i to većinom na nedjelotvoran način - za grijanje kućanstava.

Posljednjih godina došlo je do smanjenja korištenja biomase, jer se sve manje kućanstava grije na drva, dok s druge strane biomasa nije značajnije utjecala na proizvodnju električne energije. Uvođenjem novih tehnologija i mehanizama

Slika 3.13. Potencijal bioenergije u Hrvatskoj po regijama

45

podrške očekuje se da će tehnički potencijal biomase i otpada za period do 2030. godine porasti na razinu od 50 do 80 PJ (u Finskoj se već danas iz biomase pokriva preko 25% svih ukupnih potreba za energijom ). Prema Strategiji energetskog razvitka [28], do 2030. godine predviđa se značajno povećanje sada gotovo zanemarive proizvodnje električne energije iz biomase u elektranama, industrijskim i mali kućanskim kogeneracijama u Hrvatskoj, te se ovisno o scenariju očekuje od preko 500 do preko 4000 GWh električne energije, pri čemu se najveći doprinos očekuje u izgradnji elektrana na biomasu. Mogućnosti proizvodnje bioplina Prirodni uvjeti u istočnoj Hrvatskoj daju ovom području određene komparativne prednosti koje se očituju u poljodjelstvu i šumarstvu. Proizvodni kapaciteti u primarnom dijelu poljoprivrede svrstavaju Osječko-baranjsku županiju u najkvalitetniji dio hrvatske žitnice. Na ovo se nadovezuje stočarska proizvodnja koja je dominantna u govedarstvu, svinjogojstvu, te peradarstvu. Značajna je proizvodnja mlijeka i jaja. Proizvodnja bioplina kod nas uopće se ne koristi. Razlog tomu je, uz loše ekonomske uvjete i činjenica da je proizvodnja bioplina ekonomična samo za postrojenja koja prerađuju gnojivo od najmanje 80 do 100 UVG (uvjetno govedo je preračunata jedinica od 500 kg težine životinja), što znatno smanjuje broj potencijalnih proizvođača ili zahtjeva okrupnjavanje i udruživanje proizvodnje, jer je velika većina poljoprivrednih gospodarstava premalo za isplativo iskorištavanje bioplina. Za manje posjede koji imaju ili mogu osigurati dobivanje gnojnice od 35 do 60 UVG predviđena je proizvodnja bioplina u kontejnerima, čija isplativost nije upitna, no ona je suočena s problemom priključivanja na električnu mrežu HEP-a. Dosadašnji primjeri pokazuju da administrativna priprema toliko opterećuje projekt, da nema smisla tražiti spajanje s mrežom i prodaju struje. Za tako male pogone puno je zanimljivije zadovaljavanje vlastitih potreba za električnom energijom i toplinom. Zbog neiskorištavanja biomase za proizvodnju bioplina možemo govoriti samo o potencijalnoj energiji koju bi mogli dobiti iz trenutno dostupnih sirovina. Različite vrste u stočarstvu daju različitu količinu sirovine ovisno o vrsti s različitom mogučnošću dobivanja bioplina po kilogramu sirovine. S obzirom na stanje stočnog fonda u Osječko-baranjskoj županiji [21] ukupna dnevna neto energija bioplinskih postrojenja (oko 35 % bruto energije sirovine) procjenjuje se na oko 240 MWh. Kako proizvodnja na gospodarstvima koja ne mogu osigurati ni neku minimalnu količinu sirovine nije isplativa. Zbog malih gospodarstava, količina energije koju je u idealnom slučaju moguće proizvesti, nije dobar pokazatelj realnih mogućnosti. Za dobivanje realnije slike o potencijalnim mogućnostima proizvodnje bioplina pretpostavili smo da su sustavi za anaerobnu razgradnju isplativi samo za uzgajališta koja su veća od 10 ha. U Osječko-baranjskoj županiji uzgajališta veća od 10 ha iz sektora svinjogojstva broje 22,57%, iz sektora govedarstva 54,9 % i iz sektora peradarstva 9,4% ukupnog fonda županije. U slijedećoj tablici prikazana je potencijalna energija uz ove pretpostavke, te ona pokazuje realne potencijale koje je moguće iskoristiti na isplativ način [21]. Tablica 3.9. Potencijalna energija Osječko-baranjske županije na uzgajalištima > 10 ha

46

Govedarstvo

Svinjogojstvo Muzare Ostalo

Peradarstvo

Broj 58 093 4 715 9081 94 572

Ukupna energ. (MWh/dnevno)

38,9 38,43 44,1 5,7

Neto energija (MWh/dnevno) 25,5 24,9 28,5 2,8

Iako nema konkretnih podataka, u posljednje vrijeme, grade se postrojenja na bioplin u Dvoru na Uni, Farmi Vrana, Perutnini Ptuj – PIPO Čakovec, Jakuševcu, Plivi (Savski Marof) koja su u različitim fazama realizacije. Neka planirana postrojenja: Ivankovo (VK) – 1000 kWe, 1200 muznih krava trenutno + dodatnih 1000 po izgradnji postrojenja, rok: 05.2008. Investitor: P.Z. Osatina, Izvođač E3 (slika 3.14.) Tomašanci (DJ) - 1000 kWe, 1000 muznih krava trenutno + 800 po izgradnji postrojenja, rok: jesen 2008. Investitor: P.Z. Osatina Varaždin – 2x1000 kWe, oko 1000 muznih krava trenutno, rok: 2009. Investitor: Vindija, d.d. Čakovec – 1000kWe, oko 1000 muznih krava, rok: 2009. Investitor: Vindija, d.d.

Slika 3.14. Postrojenje na bioplin, farma Ivankovo, investitor P.Z. Osatina

47

Deponijski plin – regionalna farma Antunovac Iskorištavanje deponijskog plina ima potencijala na velikim deponijama poput regionalne deponije koja se planira graditi kod mjesta Antunovac pored Osijeka. Iako je plan izgradnje tek u predprojektnoj fazi moguće je izračunati potencijal takvog odlagališta. Kao polazna vrijednost za proračun služi podatak da po toni komunalnog smeća nastaje u vremenu od 20 godina prosječno 200Nm3 deponijskog plina. Za godišnju količinu od 50.000 tona (pretpostavljena količina na Regionalnoj deponiji Antunovac) i vrijeme punjenja deponije od 20 godina na deponiji bi nastalo 200 miliona kubnih metara deponijskog plina. Ako bi se sistemom sakupljanja plina i kontrolom kvaliteta na raspolaganje plinskim motorima stavilo oko 50% te količine, to bi značilo da se za proračun energetske bilance može računati sa oko 100 miliona Nm3 deponijskog plina ili prosječno godišnje 5 miliona Nm3 tj. 625 Nm3/h. Ova količina plina sa Hu = 5kWh/Nm3 preko plinskih motora omogućava godišnju proizvodnju od 9 milijuna Kwh struje i 12 milijuna Kwh toplinske energije. Proizvedena količina struje pokriva potrebe 2.500 obiteljskih kuća. Sa ovom proizvodnjom električne energije, štedi se primjerice, u osječkoj TE-TO elektrani na zemni plin oko 2,5 miliona Nm3 zemnog plina. Na ovaj način se 300 Nm3/h metana manje predaje u atmosferu, što je važan ekološki aspekt primjene plinskih motora u očuvanju ozonskog omotača. Na osnovi električne i toplinske bilance i potrebnih ulaganja, ekonomska računica pokazuje da se ulaganja brzo isplate, pa daljnji rad postrojenja ostvaruje dobit. Dakle, dolazimo do pravog cilja svakog ekološkog uređaja, a to je da sam sebe izdržava, tj. sa boljim i kvalitetnijim vođenjem tehnološkog procesa dobijemo više energije kojom pokrivamo investiciju i potrebe održavanja.

48

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

4.1. Snaga i energija vjetra i vjetroagregata

4.1.1. Maksimalna teorijska energija vjetra i vjetroagregata Energija vjetra je kinetička energija ovisna o kvadratu brzine vjetra:

2

21 mvW =

(4.1.) Maksimalna teorijska energija vjetra računa se nadalje kao:

(4.2.) Gdje je: ρ – gustoća zraka (približno 1,25 kg/m3); A – površina rotora vjetroelektrane (volumen V = A·v) v – brzina vjetra Dakle, maksimalna teorijska energija vjetra ovisi o brzini vjetra na treću potenciju. Ukupna kinetička energija zraka ne može se sva iskoristiti, jer zrak mora dalje strujati da bi načinio mjesta onome koji dolazi, pa je moguće iskoristiti samo energiju koja je proporcionalna razlici brzina vjetra na treću:

(4.3) Maksimalnu snaga koja se može dobiti pogonom pomoću vjetroturbine iz konstrukcijskih razlogaiznosi 16/27 odnosno 0,59259 od teoretske maksimalne moguće snage vjetra.

3322 625,021

21

21 AvAvVvmvW ==== ρρ

321 )(625,0 vvAW −⋅⋅=

49

Uzmemo li u obzir i maksimalni stupanj djelovanja zračne turbine je 0.65, te stupanj djelovanja generatora 0.8, za maksimalnu energiju vjetroelektrane vrijedi:

(4.4) Teorijski dakle, iskoristi se samo 31% (0,193/0,625) kinetičke energije vjetra za proizvodnju električne energije u vjetroelektranama. Često se za proračun energije umjesto površine uvrštava promjer (D) turbine:

(4.5) S obzirom na gornja razmatranja poznavanje brzine vjetra ima osnovnu važnost za ocjenu mogućnosti iskorištavanja vjetra u energetske svrhe. Brzina vjetra je jako promjenjiva, pa je stoga potrebno mjeriti brzinu vjetra kako bi se mogle odrediti krivulje frekvencija (statistika vjetra). Brzina vjetra se povećava sa visinom iznad tla. Može se računati da je omjer brzina razmjeran petom korijenu iz omjera visina nad zemljom. Na slici 4.1. prikazana je ovisnost maksimalne i teorijski iskoristive snagu vjetra, kao i one na osovini vjetroturbine i priključcima generatora u ovisnosti o brzini vjetra.

Slika 4.1. Ovisnost snage vjetra o brzini vjetra

3

3

193,0625,08,065,027/16

vAWvAW

⋅⋅=

⋅⋅⋅⋅⋅=

332 10152,0 −⋅⋅⋅= vDW

50

4.1.2. Krivulja snage i ovisnost o brzini vjetra

Graf koji nam pokazuje koliko će turbina proizvesti električne energije na različitim brzinama vjetra je krivulja snage. Vjetroturbine su dizajnirane tako da počnu raditi pri brzini vjetra između 3 do 5 metara po sekundi. Tu pojavu nazivamo brzina uključenja vjetra. Turbina se programira tako da prestane raditi pri velikoj brzini vjetra, pri otprilike 25m/s, da se turbina ili okolina turbine ne bi oštetila. Prestanak brzine vjetra nazivamo brzinom isključenja vjetra.

Slika 4.2. Ovisnost snage vjetrogeneratora o brzini vjetra

Problem krivulje snage je u tome što nam govori koliko snage će proizvesti vjetroturbina pri prosječnoj brzini vjetra. Obujam energije vjetra se mjenja sa brzinom vjetra. Koeficijent snage govori koliko se energije vjetra pretvori u električnu energiju. Efikasnost turbina je malo veća od 20%, ipak ona se mjenja sa brzinom vjetra. Za ukupnu količinu energije koju zračna turbina pretvara u električnu energiju brzina vjetra je vrlo bitna. Energija vjetra odgovara prosječnoj brzini vjetra na treću potenciju, što znači da ako je brzina vjetra dvostruko veća, dobiva se 8 puta više energije. Tablica 4.1. prikazuje iznose snaga po kvadratnom metru za različite brzine vjetra Tablica 4.1. Ovisnost snage po jediničnoj površini vjetroagregata o brzini vjetra

v (m/s)

P (W/m2)

v (m/s)

P (W/m2)

v (m/s)

P (W/m2)

0 0 8 313,6 16 2508,8 1 0,6 9 446,5 17 3009,2 2 4,9 10 612,5 18 3572,1 3 16,5 11 815,2 19 4201,1 4 39,2 12 1058,4 20 4900,0 5 76,2 13 1345,7 21 5672,4 6 132,3 14 1680,7 22 6521,9 7 210,1 15 2067,2 23 7452,3

51

4.1.3. Ruža vjetrova, utjecaj terena i izbor lokacije Prikaz informacije o raspodjeli brzina i smjerova vjetrova, na osnovi meteoroloških promatranja brzina i smjerova naziva se ruža vjetrova, koja je na primjeru grada Acapulco u Meksiku prikazana na slici 4.3.

Slika 4.3. Ruža vjetrova za Acapulco (Meksiko)

Krug se podijelili na dvanaest odjeljaka, po jedan za svakih 30 stupnjeva (moguće i sa 8 ili 16 odjeljaka, ali 12 je kao standard postavio Europski atlas vjetrova. Ruža vjetrova daje nam informaciju o relativnoj brzini vjetrova iz različitih smjerova, tj. svaki od podataka (frekvencija, prosječna brzina vjetra, prosječni kub brzine vjetra) je pomnožen brojem koji jamči da se najveća kriška točno podudara sa radijusom vanjskog kruga u dijagramu. Na velikim visinama od oko 1 km, površina zemlje ne utječe previše na vjetar, dok u nižim slojevima atmosfere trenje o površinu zemlje jako utječe na brzinu vjetra. Za veća nepravilnosti terena, vjetar je više usporen. Primjerice šume i veliki gradovi, logično će više usporiti vjetar, dok će velike betonske površine na aerodromima tek neznatno utjecati na brzinu vjetra. Vodene površine su još više uglađenije od betonskih imaju još manji utjecaj, dok visoka trava i grmlje imaju znatan utjecaj na brzinu vjetra. Dobra lokacija za zračne turbine je duž obale. Pretpostavka da bi se postigao bolji efekt postavljanjem turbina na sam rub litice nije točna, jer litica stvara turbulenciju i usporava vjetar čak i prije nego što dolazi do same litice, te znatno smanjuje životni vijek turbine zbog jačeg trošenja uslijed turbulencije. Puno povoljnije bilo bi kada bi litica bila zaobljena prema moru, jer bi u tom slučaju došlo do efekta ubrzanja vjetra.

Zbog stalnog variranja brzine vjetra, količina energije stalno se mijenja. Promjena ovisi o vremenskim prilikama, o uvjetima na tlu i preprekama. Izlazna energija vjetroturbine ovisi o variranju vjetra, iako su najveće varijacije do neke mjere kompenzirane zbog tromosti rotora turbine. Na većini mjesta na svijetu danju je vjetrovitije nego noću. Vjetar je mnogo turbulentniji danju češće mijenja smjer. Veća proizvodnja danju je prednost jer je i

52

Dobro mjesto

Loše mjesto

Prepreke - loše

Mjesto postavljanja vjetroturbine promjera (D) mora biti daleko od prepreka najmanje 10x visina prepreke (H) ili je potrebno postavljanje visokih stupova.

Efekt tunela na zaobljenim brdima

Turbulencija

Turbulencija na vrhu i dnu oštrih litica

Turbulencija

H

potrošnja daju veća. Snažne oluje često su popraćene čestim udarima vjetra koji naglo mijenjaju smjer i brzinu vjetra.

U područjima sa nejednakim izgledom terena, i iza prepreka poput zgrada, dolazi do turbulencije sa vrlo nepravilnim tokovima vjetra i vrtlozima. Turbulencija smanjuje mogućnost iskorištavanja energije vjetra, te uzrokuje veće trošenje turbina. Površine mora i jezera su glatke pri konstantnoj brzini vjetra, nepravilnost površine je vrlo mala. Povećanjem brzine vjetra dio energije vjetra se iskorištava na podizanje valova što čini površinu nepravilnom. Pošto je nepravilnost na morskoj površini vrlo mala, brzina vjetra se previše ne mijenja pa visina osovine turbine ne mora biti visoka kao na kopnu.

Najekonomičnija visina osovine turbine smještene na površini mora je 0,75 puta promjer rotora. Tornjevi turbina obično se prave dovoljno visoki da bi izbjegli turbulencije od vjetra blizu tla. Vjetar na moru je manje turbulentan nego na kopnu, zato turbine na moru imaju veći životni vijek od onih na kopnu.

Svaka vjetroturbina usporava vjetar iza sebe nakon što iz njega izvuče energiju i pretvori je u električnu. Iz tog razloga bi turbine trebalo smjestiti što je moguće dalje jednu od druge. Iskoristivost zemljišta i cijena spajanja turbina na električnu mrežu, traže da ih smjestimo što bliže jednu drugoj. Vjetroturbine su udaljene između 5 do 9 dužina promjera rotora u smjeru dolaska vjetra i između 3 do 5 dužina promjera rotora u smjeru okomitom na smjer vjetra. Gubitak energije zbog zavjetrine koje stvaraju jedna drugoj iznosi negdje oko 5 posto. Na vjetrovitoj strani zgrada ili planina, zrak se kompresira i njegova se brzina između prepreka znatno povećava. Ta je pojava znana kao „efekt tunela“. Tunel bi trebao biti što pravilniji.

Slika 4.4. Postavljanje vjetroturbina s obzirom na tok vjetra

53

U slučaju da su brda vrlo neravna i nejednaka, dolazi do velikih turbulencija, tj. smjer i brzina vjetra bi se naglo mijenjali. Velike turbulencije u potpunosti poništavaju sve prednosti veće brzine, a promjenjivi vjetar bi uzrokuje nepotrebno trošenje i kidanje turbine Uobičajena mjesta za postavljanje vjetroturbina su uzvišenja, brda ili planine (slika 4.4). Prednost je imati što je moguće širi pogled prema nadolazećem smjeru vjetra u nekom području. Razlog je ponovo tlačenje zraka na vjetrovitoj strani brda i nakon što vjetar dosegne vrh, opet mu je omogućeno širenje kako se spušta u područje nižeg tlaka na drugoj strani brda. Ako je brdo strmo ili ima nepravilnu površinu, dolazi do znatnih turbulencija koje poništavaju prednosti veće brzine vjetra. Meteorološki podaci, proračunati za posljednjih 30 godina najbolji su vodič pri izboru lokacije za vjetroturbinu, ali potrebno je biti oprezan zbog toga što ti podaci nisu prikupljeni baš na toj točnoj lokaciji. Ako u području već postoje turbine, njihovi rezultati proizvodnje daju najbolji uvid u osobine vjetra. Velike turbine se spajaju na električnu mrežu. Kod manjih projekata pazi se da vjetroturbine postavimo dovoljno blizu srednjenaponskih 10 do 35 kV dalekovoda da troškovi proširenja električne mreže ne budu previsoki. Generatori u velikim modernim zračnim turbinama najčešće proizvode struju pri naponu od 690 V. Transformator smješten uz turbinu ili u samom tornju turbine pretvara energiju na viši naponski nivo (obično 10-35 kV). Ako je više turbina već spojeno na mrežu, trebalo bi povećati presjek kabela. Projektanti vjetro-elektrana moraju poznavati informaciju promjene brzine vjetra, time smanjuju troškove izgradnje i sama elektrana ima veću korisnost. Razdioba brzine vjetra na tipičnom položaju dobija se mjerenjem, a matematički opisuje Weibullovom razdiobom, kao što je i prikazano na slici 4.5. za makrolokaciju Kistanje.

Slika 4.5. Razdioba brzine vjetra (stupci) i pripradajuća Weibullova razdioba (krivulja) – makrolokacija Kistanje

Poznavajući očekivane razdiobe brzine vjetra (slika 4.5.) i krivulju ovisnosti snage predložene vjetroturbine (slika 4.2.), moguće je odrediti i očekivanu godišnju proizvodnju električne energije na promatranoj makrolokaciji jednostavnim umnoškom dvije krivulje i 8760 h/god.

54

4.2. Podjela i dijelovi vjetroelektrana 4.2.1. Podjela vjetroelektrana Općenito postoje dva tipa vjetroelektrana (slika 4.6.): s okomitim i s vodoravnim rotorom.

Slika 4.6. Dva tipa vjetroagregata a) s okomitim rotorom b) s vodoravnim rototom

Vjetroelektrane s okomitim rotorom se rjeđe koriste. Većina vjetroturbina sa vodoravnom osovinom koriste mehanizam koji pomoću elektromotora i prijenosa drži turbinu zakrenutu prema smjeru dolaska vjetra. Tornjevi za velike turbine mogu biti okrugli čelični, rešetkasti, ili betonski. Uski okrugli tornjevi se koriste za male zračne turbine. Velike zračne turbine se izvode sa okruglim čeličnim tornjevima, koji se proizvode u dijelovima od 20 – 30 metara koji se spajaju na mjestu postavljanja turbine. Promjer tornja se povećava prema temelju, da bi povećali čvrstoću i uštedili na materijalu. Rešetkasti tornjevi se izvode varenjem čeličnih profila. Osnovna prednost ovih tornjeva je u cijeni, pošto se koristi upola manje materijala a postiže se ista čvrstoća. S obzirom na mjesto postavljanja vjetroelektrane se dijele na one koje se postavljaju na kopnu i one na morskoj pučini. S obzirom na snagu uobičajena je podjela na male (1 do 30 kW), srednje i velike (30 do 1500 kW), te one ne pučini (>1500 kW) Male se koriste obično na dalekim izoliranim mjestima, pri čemu postoji velika raznolikost rješenje. Vjetroelektrane srednje i velike snage obično rade na mreži, kao samostalne ili u grupi (vjetroparkovi). One instalirane snage veće od 650 kW danas su su komercijalne i proizvode se u velikim serijama. Vjetroelektrane na pučini mogu imati instaliranu snagu i do nekoliko stotina MW, trenutno su u razvoju, a glavna zapreka je velika cijena postolja.

55

Na slici 4.7. prikazani su primjeri nekih tipičnih prototipova i komercijalnih vjetroagregata koji su danas u uporabi.

Bonus 2 MW, promjer rotora je 72 metra.

Vestas 1650 kW , promjer rotora od 63 metra.

Nordex 2,5 MW ,

promjer rotora turbine je 80 metara.

HSW 1000kW

Lagerway 750 kW

NEG Micon 2 MW, promjer rotora te turbine je 72 metra.

56

Lopatice

Stup

Motor

Zakretanje

Kočnica

Rotor

Sporo-okretna osovina

Brzo-okretna osovina

Generator

Upravljanje

Anemometar

Smjer vjetra

Kućište

Pokazivač smjer a vjetra

Prijenosnik

Zakretanje lopatica

Slika 4.7. Primjeri vjetroagregata 4.2.2. Osnovni dijelovi vjetroelektrane Na slici 4.8. prikazani su osnovni osnovni dijelovi vjetroagregata.

Slika 4.8. Osnovni dijelovi vjetroagregata Lopatice (eng. blades) Većina vjetroturbina ima sustav s dvije ili tri lopatice. S obzirom na izvedbu možemo razlikovati lopatice sa zakretnim vrhovima (kao aerodinamičnim kočnicama) ili s krilcima. Obje izvedbe su ujedno sekundarni kočni sustavi, koji u slučaju otkaza primarnog kočnog sustava (mehanička kočnica) stvaraju moment kočenja (zakretanjem vrha lopatice ili pomičnom ravnom površinom (eng. spoiler) ), te na taj način ograničavaju brzinu vrtnje. Rotor Sastavni dijelovi rotora vjetroturbine su glava (eng. hub) i lopatice. Ovisno o tome kako reguliramo snagu, rotor može biti izveden:

57

• tako da se regulaciju kuta tijekom rada vrši zakretanjem lopatice, na način da se profil namješta u optimalni položaj. Ovakva regulacija je složena i rotori ovakve izvedbe su skuplji, ali nužno primjenjivi za lopatice duže od 25-30 m. Također postoji poseban motor za zakretanje, koji mijenjajući kut lopatice mijenja napadni kut struje zraka.

• tako da se regulacija snage vjetroturbine vrši korištenjem aerodinamičnog efekta poremećenog trokuta brzina. Dakle, s promjenom brzine vjetra mijenja se na aeroprofilu kut struje zraka, odnosno dolazi do poremećaja trokuta brzina te do porasta ili gubitaka uzgona, pri čemu lopatice nemaju mogućnost zakretanja. Međutim, kako je vjetroturbina projektirana za neko područje brzina, lopatice imaju unaprijed namješten kut za dotično područje brzinaradi veće efikasnosti.

Kočnica (eng. brake) Kada generator ispadne iz mreže, odnosno brzina naleta vjetra prijeđe maksimalnu vrijednost (isključnu vrijednost, npr. 25 m/s) dolazi do izrazitog dinamičkog opterećenja mora postojati kočni sustav kako bi rasteretio prijenosnik snage, odnosno zaustavio rotor. Osim toga, bitno je reći da je također zadatak ovog sustava održati projektnu brzinu vrtnje konstantnom, odnosno osigurati sustav čije je djelovanje dinamički uravnoteženo. Disk kočnica je najčešća izvedba kočnog sustava (kojom se na suvremenim strojevima upravlja mikroprocesorski), a smještena je na sporookretnoj osovini prije prijenosnika ili na brzookretnoj osovini generatora. Prijenosnik snage (eng. gear box) Prijenosnik vjetroturbine spaja sporookretnu s brzookretnom osovinom i povećava brzinu vrtnje s oko 30 – 60 o/min na oko 1200 – 1500 o/min tj. na brzinu vrtnje, za većinu generatora, nužnu za stvaranje električne energije. Prijenosnik je u većini slučajeva multiplikator i može biti različitih izvedbi. Hlađenje prijenosnika se najčešće vrši zrakom, a podmazivanje sintetičkim uljem. Prilikom analiziranja načina na koji se vrtnja prenosi s vjetroturbinskog dijela na električni generator, naročitu važnost zauzimaju materijali izrade elemenata sklopa, vrsta prijenosa i prijenosni omjer. Prijenosnik je skup i težak dio vjetroturbine pa zbog toga inženjeri istražuju mogućnost izravnog pogona generatora bez prijenosnika. Generator Turbinski dio vjetroelektrane s rotorom, kočnicama i prijenosnikom snage predstavlja važan dio cjelokupnog sustava, čija je osnovna funkcija pogon generatora. Za pravilno i sigurno funkcioniranje čitavog vjetroturbinsko - generatorskog sustava, generator mora ispunjavati zahtjeve kao što su: visok stupanj iskoristivosti u širokom krugu opterećenja i brzine okretanja, izdržljivost rotora na povećanim brojevima okretaja u slučaju otkazivanja svih zaštitnih sustava, izdržljivost, odnosno postojanost konstrukcija na visokim dinamičkim opterećenjima prilikom kratkih spojeva, te pri uključivanju i isključivanju generatora. Uzimajući u obzir uvjete povećane vlažnosti, slanosti, zatim otpornost na krute čestice, povišenu temperaturu i slične uvjete, pred generatore se također postavlja zahtjev

58

pouzdanosti sa što je moguće manje održavanja. Razni su kriteriji prema kojima se može izvršiti podjela generatora. Tako npr. prema načinu rada generatori se mogu podijeliti na one: za paralelni rad s postojećom distributivnom mrežom, za samostalni rad, za spregnuti rad s drugim izvorima. Prema vrsti struje mogu biti: istosmjerni ili izmjenični. Istosmjerni se zbog problema s pouzdanosti rijetko primjenjuju. Prema načinu okretanja postoje generatori: s promjenjivom ili s nepromjenjivom brzinom okretanja uz zadržavanje iste frekvencije. Također postoji podjela prema veličini tj. snazi. Upravljački i nadzorni sustav (eng. controller) Kao što samo ime kaže, ovaj mikroprocesorki upravljan sustav je u osnovi zadužen za cjelokupno upravljanje i nadziranje rada vjetroturbinsko-generatorskog sustava. Ako ovakav sustav nije u cijelosti smješten na vjetroturbinskoj jedinici (kao što može biti slučaj), već je jednim dijelom na nekom udaljenijem mjestu onda sustav zahtjeva i posebnu telekomunikacijsku opremu. Oprema za zakretanje (eng. yaw gear) Služi za zakretanje turbinsko-generatorskog sustava. Nalazi se ispod kućišta vjetroturbine, na vrhu stupa. Preko pužnog prijenosa (omjera reda veličine 1:1000) s velikim zupčastim prstenom, učvršćenim na stupu, izravnava se os osovine rotora s pravcem vjetra. Zakretanje zapravo vrši motor. On na sebi ima ugrađenu kočnicu koja onemogućuje zakretanje kućišta zbog naleta vjetra. Zakretanje kućišta regulira sustav koji je izvan funkcije kad su poremećaji smjera vjetra manji (u prosjeku - jednom u deset minuta dogodi se zakretanje kućišta). Gondola (eng. nacelle) Kućište s jedne strane štiti generatorski sustav sa svim komponentama od okolišnih utjecaja, a s druge štiti okoliš od buke dotičnog sustava. Stup (eng. tower) Može biti izveden kao cjevasti, konusni, teleskopski, rešetkasti, učvršćeni ili povezani. Danas se najčešće koristi cjevasta konstrukcija, a prednost joj se nalazi u tome što ju osim visoke čvrstoće karakterizira i veća otpornost na vibracije. Prednost rešetkaste konstrukcije nalazi se u jednostavnosti, a budući da ju je moguće rastaviti na manje dijelove prikladnija je za transport i montažu.

59

4.3. Princip rada vjetroelektrane u EES i izbor generatora 4.3.1. Općenita shema djelovanja vjetroelektrane Pojam vjetroelektrana podrazumijeva sustav za transformaciju energije gibajuće zračne mase odnosno vjetra u električnu energiju posredstvom vjetroturbine i električnog generatora. Na slici 4.9. prikazan je osnovni princip rada vjetroagregata.

Slika 4.9. Osnovni princip rada vjetroagregata Budući da vjetar predstavlja izrazito promjenjivi energetski resurs koji se ne može uskladištiti, potrebno je utvrditi uvjete pogona sustava za pretvorbu energije vjetra u električnu energiju. Općenita shema djelovanja vjetroelektrane prikazana na slici 4.10. obuhvaća elemente koji se projektiraju obzirom na tri oblika energije: energiju vjetra, mehaničku energiju te električnu energiju. Vjetroturbina koja može imati jednu ili više elisa, služi za transformaciju energije vjetra u mehaničku energiju. Ako se u obzir uzmu razina buke i vizualni efekt, izvedba s tri elise predstavlja najčešće rješenje. Pored toga, dinamikom rotora s tri kraka je najlakše upravljati. Inercijski moment trokrakog rotora prema tornju ne mijenja se tijekom okretanja. To rezultira manjim problemima uslijed oscilacija nego kod jednokrakih i dvokrakih rotora. Uz to je i optički mirniji zbog okretanja na manjoj brzini. Oko 90% vjetroturbina koje se trenutno koriste u svijetu imaju trokraki rotor. Spoj između vjetroturbine i električnog generatora ostvaren je pomoću mehaničke spojke koja uobičajeno u sebi uključuje mjenjačku kutiju s prijenosnikom pomoću kojeg se niža brzina vrtnje rotora vjetroturbine prilagođava višoj brzini vrtnje rotora generatora. Da bi se kinetička energija rotora uz pomoć generatora pretvorila u električnu, bila bi potrebna brzina rotora od 1 500 okretaja u minuti

Dotok vjetra Dotok vjetra

pokreće rotor (A) i lopatice (B)

Rotor i lopatice okreću osovinu (C) i prijenos

(D) koji okreće generator (G)

60

(rpm). Budući da se rotor okreće brzinom od 30-50 rpm, potrebna je upotreba prijenosnika. S prijenosnikom se pretvara spora rotirajuća sila (visokog okretnog momenta) u brzu rotaciju (niskog okretnog momenta) koja je potrebna za rad generatora. Postotak iskoristivosti energije je 98%, a gubitak energije koji nastaje uslijed trenja zupčanika prijenosnika manifestira se u obliku topline i buke.

Slika 4.10. Općenita shema djelovanja vjetroelektrane [14] Neke vjetroturbine u svojoj opremi sadrže i sustav za upravljanje kutom zakreta elisa pomoću kojeg se može vršiti regulacija izlazne snage. Vjetroelektrana u izvedbi s promjenjivom brzinom vrtnje priključuje se na mrežu pomoću sučelja zasnovanog na energetskoj elektronici. Jedinica za kompenzaciju jalove snage može u sebi uključivati uređaj za korekciju faktora snage te filtre za više harmoničke članove. Rasklopna oprema treba biti projektirana na način koji omogućava glatko priključenje na mrežu. Konačno, upravljački sustav vjetroelektrane može biti izveden s različitim stupnjevima složenosti. 4.3.2. Izbor generatora u vjetroelektrani

Proizvodne jedinice u vjetroelektranama su uobičajeno sinkroni ili asinkroni generatori. Obzirom na vrstu priključenja na mrežu česta je podjela vjetroelektrana prema slijedećim osobinama agregata: 1. Vjetroelektrana u izvedbi sa stalnom brzinom vrtnje koja se izravno

priključuje na mrežu

Mjenjačka kutija

Elektroničko sučelje

Rasklopna oprema

Zaštita

Mreža

Generator

Kompenzator

Upravljački sustav vjetroelektrane Mjerenje

brzine vjetra

Energija vjetra

Mehanička energija


61

Asinkroni generator Asinkroni generatori se najčešće koriste kada je vjetroelektrana priključena na krutu mrežu. Krutu mrežu karakterizira velika naponska i frekvencijska krutost. Osnovna prednost im je jednostavnija i jeftinija konstrukcija, iako s druge strane moraju imati kompenzacijski uređaj (uglavnom uklopive kondenzatorske baterije) i priključni uređaj kako bi se omogućila početna sinkronizacija s mrežom (eng. soft-starter). Sinkroni generator Sinkroni generatori se najčešće primjenjuju za pretpostavljene uvjete otočnog pogona. Ovdje su potrebni uzbudni sustav i regulator brzine koji će održavati napon i frekvenciju. Ovakvi generatori ne mogu se pronaći u komercijalnim izvedbama sa stalnom brzinom u pogonu na krutu mrežu. Kod vjetroturbina nazivnih snaga većih od 500 kW naročito je izražena potreba za uključivanjem sustava za regulaciju kuta zakretanja elise propelera, što inače nije slučaj, pa tako da se spomenuti sustav ne izvodi u svim jedinicama.

Rotori s konstantnom brzinom vrtnje vrlo su prikladni za primjenu u vjetroelektranama za potrebe elektroenergetskog sustava (mreže) jer se time omogućava primjena jednostavnih generatora čija je brzina vrtnje polova određena frekvencijom mreže.

2. Vjetroelektrana u izvedbi s promjenjivom brzinom vrtnje

- Sinkroni generator s pretvaračem u glavnom strujnom krugu - Asinkroni generator s pretvaračem u glavnom strujnom krugu - Asinkroni generator s upravljivim promjenjivim klizanjem - Asinkroni generator s nadsinkronom ili podsinkronom pretvaračkom kaskadom Rotori s promjenjivom brzinom vrtnje najčešće se koriste za pogon crpki za vodu i vjetroelektrana za potrebe punjenja baterija, dok se za primjenu u VE koje se spajaju na električnu mrežu zahtijevaju pretvornici frekvencije.

Vjetroelektrane sa stalnom brzinom vrtnje i konstantnom frekvencijom koriste mehaničko-hidraulički sustav regulacije brzine vrtnje pomoću kojeg upravljaju elisama turbine. U njima generator može biti sinkroni ili asinkroni. Asinkroni generator je dodatno opremljen lokalnim izvorom jalove snage u svrhu podržavanja samouzbude i održavanja napona na priključnicama. U izvedbi vjetroelektrane sa stalnom brzinom vrtnje i konstantnom frekvencijom, sinkroni generator ima veći faktor efikasnosti i pouzdanosti, ali teže zadržava sinkronizam u uvjetima poremećaja brzine vrtnje nastalih zbog brzih poremećaja vjetra i/ili poremećaja u mreži poput kratkog spoja. Sposobnost proizvodnje jalove snage dodatna je prednost sinkronog generatora ako se vjetroelektrana priključuje na naponski slabu mrežu. U slučaju priključenja na već izgrađenu mrežu dobre infrastrukture, asinkroni generator je u prednosti jer je znatno jeftiniji i robusniji, a ima i jednostavniji sustav upravljanja. Osim toga, uvjeti održivosti sinkronizma znatno su fleksibilniji u usporedbi sa sinkronim generatorom.

62

Izvedba vjetroelektrane sa stalnom brzinom vrtnje i konstantnom frekvencijom ima optimalan pogon samo za jedan omjer između brzine vrha elise i brzine vjetra. To znači da se samo pri jednom omjeru postiže maksimalna djelatna snaga generatora. U slučaju da omjer odstupa od optimalnog, djelatna snaga generatora biti će manja od maksimalne.

ASINKRONI GENERATORI SINKRONI GENERATORI Izravno priključenje na mrežu

( )

pfsn −

=1

08,00K=s

potrošač induktivne jalove snage

Izravno priključenje na mrežu

pfn =

upravljiva izlazna jalova snaga Mrežni priključak putem DC veze

pfs 2,18,0 K=

upravljiva izlazna jalova snaga uz odgovarajući pretvarač

Mrežni priključak putem DC veze

pfs 2,15,0 K=


Dinamički upravljivo klizanje

( )

pfsn −

=1

3,01,00 KK=s

potrošač induktivne jalove snage

Mrežni priključak putem DC veze, bez mjenjačke kutije

pfs 2,15,0 K=


Asinkroni generator s dvostranim napajanjem

Sinkroni generator s permanentnim magnetima priključen putem DC veze

pfs 2,16,0 K=


Slika 4.11. Načini priključenja vjetroelektrane na mrežu [14]

DC

SG DC

Mjenjačka kutija SG DC

Mjenjačka kutija SG

Mjenjačka kutija AG

DC


Mjenjačka kutija AG DC


63

Čest slučaj je izvedba vjetroelektrane s promjenjivom brzinom vrtnje i konstantnom frekvencijom. Takve vjetroelektrane imaju generator s promjenjivom brzinom vrtnje i vjetroturbinu koja rotira različitim brzinama vrtnje ovisno o promjenjivosti brzine vjetra. Ostvariv je optimalan pogon za svaki omjer između brzine vrha elise i brzine vjetra, odnosno za svaku brzinu vjetra. Međutim, tada su na električnoj strani vjetroelektrane povećani početni investicijski troškovi zbog složenije izvedbe priključenja na mrežu. U slučaju primjene sinkronog generatora izvedba uključuje statički pretvarač frekvencije zasnovan na energetskoj elektronici. U slučaju primjene asinkronog generatora izvedba uključuje diodni ispravljač u mosnom spoju za regulaciju djelatnog otpora rotora i promjenu brzina/moment karakteristike asinkronog stroja. Istodobno se na mehaničko-hidrauličkoj strani troškovi smanjuju jer se regulacije brzine vrtnje agregata više ne izvodi na turbini čime ona postaje jeftinija. Osim cijene generatora povećava se i bojazan od pojave povećanja ukupne harmoničke distorzije zbog primjene statičkih pretvarača. Iako je najskuplji dio vjetroelektrane njezina turbina, veličina i cijena generatora uz uključenu efikasnost i učinkovitost regulacijskog sustava neosporno čine značajan investicijski trošak. Neophodna je pažljiva financijska analiza kojom bi se odredila opravdanost uvođenja pogona s promjenjivom brzinom vrtnje. Prema nekim statistikama pogon s promjenjivom brzinom vrtnje na godinu postiže i do preko 1/3 veći iznos predane električne energije od pogona sa stalnom brzinom vrtnje. Ako je cijena isporučene energije dovoljno visokog iznosa, moguće je postići ekonomsku isplativost i uz veće početne investicijske troškove pogona s promjenjivom brzinom vrtnje.

Kombinirana primjena generatora s promjenjivom brzinom vrtnje i statičkog pretvarača frekvencije pomaže u izbjegavanju problema vezanih uz stabilnost kuta i regulaciju frekvencije, odnosno elektromehanička njihanja općenito. Iznenadne promjene brzine vjetra više ne uzrokuju promjene injektirane snage vjetroelektrane. Razlika snage na rotirajućoj osovini pohranjuje se unutar kombinirane inercije agregata u obliku kinetičke energije. Drugim riječima, agregat se ubrzava/usporava kako vjetar ubrzava/usporava. Međutim, u slučaju priključenja vjetroelektrane kao izvora konstantne djelatne snage na naponski slabu mrežu, mogući su problemi stabilnosti napona.

Prema dostupnim informacijama, investitori se uglavnom odlučuju za inicijalno jeftiniju varijantu, dakle za vjetroelektrane u izvedbi sa stalnom brzinom vrtnje i konstantnom frekvencijom uz korištenje asinkronog generatora u pogonu na krutu mrežu.

64

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

Slika 4.12. Spajanje vjetroelektrana na elektroenergetske sustave Postoji mnogo tehničkih kriterija priključenja vjetroelektrana na mrežu koji se uzimaju u obzir zbog što kvalitetnije integracije vjetroelektrana u elektroenergetski sustav, kao što su: Iznos frekvencije, Iznos napona, Stanje u uvjetima kvara, Kvaliteta isporučene električne energije i Zahtjevi obzirom na signale, komunikacije i upravljanje.

65

Ovih pet glavnih kriterija se smatra ključnim područjima za ispravan pogon i vođenje vjetroelektrana u pripadajućem elektroenergetskom sustavu. 4.4.1. Iznos frekvencije Glavni elementi iz područja frekvencija/djelatna snaga koji se postavljaju obzirom na priključenje vjetroelektrana u sustav su: Raspon iznosa frekvencije tijekom normalnih i poremećenih uvjeta pogona Karakteristike vjetroelektrane u cijelom rasponu frekvencije sustava Sudjelovanje vjetroelektrane u P-f regulaciji Brzina promjene snage proizvodnje vjetroelektrane Osiguravanje rezervne snage od strane vjetroelektrane U tablici 4.2. predočena je usporedba vrijednosti raspona frekvencije unutar kojeg su propisani uvjeti očekivanog pogona vjetroelektrana u onim europskim zemljama u kojima postoje Mrežna pravila za vjetroelektrane. Tablica 4.2. Zahtjevi nekih operatera s obzirom na raspon frekvencije

Zemlja Njemačka Danska Engleska Wales Škotska Nizozemska Irska

Ra

spon

fre

kve

nci

je

47.5-51.5 Hz trajno

od

01/01/2002

47.0-47.5 Hz tijekom 10 s

47.5-48.0 Hz tijekom 5 min

48.0-49.0 Hz

tijekom 25 min

49.0-50.3 Hz

trajno

50.3-51.0 Hz tijekom 1 min

iznad 53.0 Hz

isključenje


47.5-52.0 Hz Trajno


47.5-50.4 Hz

trajno

50.4-52.0 Hz snaga se

smanjuje uz min brzinu od 2% od izlazne snage VE po

0.1 Hz odstupanja frekvencije

sustava iznad 50.4 Hz.

48.0-51.0 Hz trajno


47.5-52.0 Hz

tijekom 60 min

49.5-50.5 Hz

trajno

snaga se mora očuvati tijekom brzine

promjene frekvencije sustava od 0.5 Hz/s

4.4.2. Iznos napona

Osnovni zahtjevi vezani za napon u sustavu na koji se priključuje

vjetroelektrana odnose se na raspone iznosa napona, promjene napona, automatsku regulaciju napona i sposobnost proizvodnje jalove energije. Operator sustava izrađuje preporuke za vjetroelektrane obzirom na svaki od prethodno navedenih aspekata. Pored toga postavlja i zahtjeve na ulazne energetske transformatore koji su smješteni na spoju vjetroelektrane sa sustavom. Vjetroturbinski generatori trebaju također doprinositi regulaciji napona u sustavu; s jedne strane obzirom na određeni raspon napona koji je potrebno održavati u čvorištu priključenja vjetroelektrane na sustav, a s druge strane obzirom na određenu razinu kompenzacije jalove snage.

66

Zahtjevi koji se postavljaju obzirom na kompenzaciju jalove snage definirani su prema rasponu faktor snage te predočeni u tablici 4.3. Međusobna usporedba zahtjeva koji se postavljaju obzirom na jalovu snagu rezultira spoznajom da što vjetroelektrane više sliče konvencionalnim elektranama to se od njih traži pogon u većem rasponu faktora snage. Tablica 4.3. Zahtjevi obzirom na raspon faktora snage vjetroelektrana


R

asp

on

fa

kto

ra s

na

ge

0.975 kap do 0.975 ind

u točki priključenja

od 01/01/2002.

Neutralnost obzirom na

jalovu snagu u čvorištu

priključenja (nulta

razmjena jalove snage)

Jedinični faktor snage u

točki priključenja na javnu mrežu.

0.95 kap – 0.95 ind u

točki priključenja

nakon 01/01/2006

Na priključnicama generatora 0.96 kap – 0.98 ind

(sada za <100MW)

0.95 kap – 0.9 ind

(sada za >100MW)

(od 07/2003 za <100MW)

0.95 kap – 0.85

ind (od 01/2007 za

sve veličine izgradnje)

0.8 kap – 0.85 ind

(pretpostavlja se da se radi o čvorištu

priključenja)

Isti Mvar iznos

proizvodnje i potrošnje

jalove snage između

minimalnog i maksimalnog opterećenja, radije nego

ograničavanje na temelju

kap/ind faktora snage

4.4.3. Stanje u uvjetima kvara

Zahtjevi vezani uz međudjelovanje između elektroenergetskog sustava i vjetroelektrane u slučaju pojave kvara u sustavu iznimno su značajni. Dakle potrebno je poznavati utjecaj priključenja vjetroelektrana na sustav te njihov odziv tijekom poremećaja poput kratkih spojeva u sustavu. S povećanjem veličine izgradnje vjetroelektrana povećava se i značenje njihove sposobnosti prolaza kroz stanje kvara u sustavu (bez isključenja) na način što sličniji sinkronim generatorima koje nadomještavaju. Stoga se trebaju definirati sposobnosti vjetroelektrane kako ona ne bi imala negativan utjecaj na sustav i potrošače. Zahtijevana sposobnost vjetroelektrane u uvjetima pojave kvara u sustavu uobičajeno se naziva sposobnošću prolaza vjetroelektrane kroz stanje kvara. Zahtjevi nekih europskih operatora obzirom na sposobnost prolaza vjetroelektrane kroz stanje kvara predočeni su u tablici 4.4. Bitno je uočiti da različiti operatori vode različite sustave te da su zahtjevi svakog od njih postavljeni imajući u vidu vlastiti sustav.

67

Tablica 4.4 Zahtjevi s obzirom na sposobnost prolaza vjetroelektrane kroz stanje kvara


Sposo

bn

ost

pro

laza

k

roz

sta

nje

kva

ra

Od 01/01/2002

VE mora ostati priključena za

propad napona na 15% od

nazivnog u VN čvorištu

priključka u trajanju od

barem 680 ms i ostati iznad

pravca oporavka

napona do 3000 ms.

VE mora ostati

priključena u uvjetima

pojave prolaznog trofaznog

KS te dvofaznog

KS s neuspješnim ponovnim

uključenjem voda na stanje kvara.

VE treba ostati priključena u

uvjetima pojave krutog trofaznog KS na 400 kV i

275 kV razinama za

ukupno vrijeme

trajanja kvara u iznosu do

140 ms. Ne smije doći

do gubitka snage

proizvodnje.

VE treba izdržati kvarove u

prijenosu (132kV i više) koji stvaraju propad napona

na:

0% od 07/2005 (<30MW)

01/2004(>30MW)

15% od 01/2004 (<30MW)

sada (>30MW)

VE ne smije biti isključena

za propad napona na 0% u trajanju od

100 ms.

Dozvoljava se 200 ms period

prijelaznog oporavka

iznosa napona.

VE mora biti sposobna

održati pogon pri naponu

sniženom na iznos od 15% u trajanju od barem 625 ms te ostati iznad pravca

oporavka napona do 3000 ms.

4.4.4. Kvaliteta električne energije

Kvaliteta električne energije iznimno je značajan aspekt priključenja i pogona vjetroelektrane. Bitno je razumjeti da vjetroelektrane imaju utjecaj na korisnike sustava, posebice one koji su smješteni u njihovoj blizini, kojima treba isporučiti električnu energiju zahtijevane kvalitete. Procjena kvalitete isporučene električne energije izvodi se na temelju više aspekata od kojih su najznačajniji sljedeći: Emisija flikera: poremećaji napona u području niskih frekvencija, Brze promjene napona: jednostruke brze promjene efektivne vrijednosti napona, pri čemu promjene napona imaju određeno trajanje (npr. javljaju se pri sklopnim operacijama vjetroturbinskih generatora)

- Harmonici: periodički poremećaji napona ili struje s frekvencijama n·50 (n je cijeli broj)

U idealnom slučaju, kvaliteta se mjeri prema IEC propisima uzimajući u obzir zahtjeve iz danskih propisa. Tada proizvođač opreme može koristiti podatke iz tih mjerenja za vrednovanje kvalitete. Slično njemačkim tehničkim propisima, IEC 61400-21 propisuje parametre kvalitete vjetroturbinskih generatora koje je potrebno mjeriti te metode mjerenja koje je potrebno primijeniti. IEC također zahtijeva mjerenje flikera, harmonika, vršnih snaga, faktora snage tijekom normalnog pogona kao i fluktuacija snage i flikera tijekom sklopnih operacija. U slučaju da je potrebno napraviti konačan izbor, češće se predlaže slijeđenje IEC propisa nego njemačkih propisa. 4.4.5. Zahtjevi s obzirom na signale, komunikaciju i upravljanje

Tehnički kriteriji priključenja vjetroelektrana na sustav uključuju i aspekte signala, komunikacija i upravljanja. Značajno je uvidjeti da sustav komunikacija u/iz vjetroelektrane treba izvesti za svaku pojedinačnu vjetroelektranu. Vlasnik vjetroelektrane odgovoran je za dobavljanje signala neophodnih za vođenje pogona elektroenergetskog sustava. Pored djelatne i jalove snage proizvodnje

68

mogu se tražiti i drugi signali poput statusa vjetroelektrane i brzine vjetra na lokaciji njezine izgradnje.

Pitanja vezana uz signale, komunikacije i upravljanje obzirom na priključenje

vjetroelektrane na sustav su: Informacijski signali iz vjetroelektrane prema operatoru sustava; Upravljački signali od operatora sustava prema vjetroelektrani; Predviđanje djelatne snage proizvodnje i deklariranje raspoloživosti. Zahtjevi obzirom na komunikaciju s vjetroelektranom vrlo su slični u svim zemljama. Sva pravila zahtijevaju raspoloživost signala napona, djelatne snage, jalove snage i pogonskog statusa vjetroelektrane. 4.4.6. Stabilnost elektroenergetskog sustava

Sposobnost održavanja stanja pogonske ravnoteže pri normalnim uvjetima i sposobnost postizanja prihvatljivog stanja ravnoteže pri pogonskim uvjetima nakon pojave poremećaja, može se definirati kao stabilnost elektroenergetskog sustava. Pod pojmom stabilnost podrazumijeva se iznos napona, kut, frekvencija, koji mogu biti promijenjeni (poremećeni) uslijed priključenja vjetroelektrana na električnu mrežu. Najčešća vrsta priključka vjetroelektrana je na distribucijsku mrežu. Današnji distribucijski sustavi se izvode na način da omoguće prihvat snage iz prijenosne mreže, koju će zatim razdijeliti potrošačima tako da se tokovi djelatne i jalove snage uvijek kreću u smjeru od više prema nižoj naponskoj razini. Distribucijska mreža može biti aktivne ili pasivne naravi. Kod mreže pasivne naravi misli se na napajanje potrošača, dok aktivna podrazumijeva tokove snaga i napone koji su određeni na osnovi kako opterećenja, tako i proizvodnje. Dakle, distribuirana proizvodnja uzrokuje promjene tokova djelatne i jalove snage, te stvara značajne tehničke i ekonomske posljedice po EES. Kako je mreža do sad bila pasivne naravi, te je gotovo uvijek zadržavala stabilnost uz stabilnu prijenosnu mrežu, problem stabilnosti nije ulazio u analizu distribucijskih mreža. Isto tako pri procjeni iskoristivosti proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora, stabilnost se u većini zemalja rijetko uzima u obzir i analizira. Međutim, s očekivanim povećanjem prodiranja obnovljivih izvora te njihovim doprinosom sigurnosti mreže, predviđa se da će se takav pristup stabilnosti promijeniti s posebnim naglaskom na analizu stabilnosti kuta i napona. Stabilnost frekvencije pojavljuje se kao problem u izoliranim sustavima, kao što su oni na udaljenim otocima. Ako postoji povećana integriranost vjetroelektrana i EES-a, u slučaju brzih promjena vjetra i vrlo visokih brzina vjetra, može doći do iznenadnih gubitaka proizvodnje, odnosno do odstupanja frekvencije i dinamički nestabilnih stanja.

69

4.4.7. Rad vjetroelektrane na mreži - problemi Jedan od osnovnih problema prilikom priključka vjetroelektrana na mrežu leži u činjenici da vjetra u blizini prijenosne mreže ima značajno manje od vjetra koji je više od 30 km udaljen od mreže. Ograničenja u prijenosnoj moći vodova mogu zahtjevati izgradnju dužih vodova što povećava troškove. Pri radu na mreži javlja se i problem viška vjetra - odbacivanje energije iz vjetroelektrana kada opkupno opterećenje u sustavu prelazi proizvodnju iz temeljnih elektrana, poput protočnih hidroelektrana ili nuklearnih elektrana. Rješenje problema provodi se na razini regionalne međunarodne interkonekcije. Najznačajnije ograničenje je velika varijabilnost vjetra, koja se može se smanjiti instaliranjem vjetroelektrana na širokom području. Slaba predvidljivost vjetra problem je koji se može umanjiti korištenjem poboljšanih metoda predviđanja vremena (vjetra). Moguća je i bolja regulacija uporabom vjetroelektrana s kontrolom nagiba lopatica i varijabilnom brzinom. Ipak, zaključno, vjetroelektrane mogu smanjiti potrošnju goriva u termoelektranama, ali ne mogu smanjiti njihovu izgradnju jer ne mogu jamčiti proizvodnju električne energije u kritičnim razdobljima – problemi s frekvencijom, smetnje i nestabilnost (prema razmatranjima iz prethodnih poglavlja). Moguća je njihova uporaba kao vršnog izvora energije.

4.5. Tržište energije vjetra i stanje u Hrvatskoj 4.5.1. Tržište energije vjetra Na slici 4.13. prikazana je ukupno istalirana snaga vjetroelektrana u svijetu od 1993. – 2006. (podaci: EUrObserver ER 2007.) Jasno je vidljiv vrlo visok porast ukupno instalirane snage vjetroelektrana, koji je u 2006. iznosio ukupno 72 GW, a treba naglasiti i da je Europska unija najveće je i najdinamičnije tržište energije vjetra s udjelom od 66,8 % ukupne svjetske instalirane snage, te s prosječnim godišnjim porastom od 1997. od oko 35%, od čega se u Njemačkoj nalazi daleko najveći dio instaliranih vjetroelektrana u EU, a potom slijede Španjolska i Danska (u kojoj udio proizvedene električne energije iz vjetroelektrana prelazi 20%). To potvrđuje i slika 4.14. gdje je prikazana ukupno istalirana snaga vjetroelektrana u EU 2006. (podaci: EUrObserver ER 2007.)

70

Slika 4.13. Ukupno istalirana snaga vjetroelektrana u svijetu od 1993. – 2006.

71

Slika 4.14. Ukupno istalirana snaga vjetroelektrana u EU 2006 4.5.2. Stanje iskorištenja energije vjetra u Hrvatskoj U Hrvatskoj je izdvojeno 29 lokacija koje su pogodne za izgradnju vjetro-elektrana. Od toga 19 je na otocima i poluotoku Pelješcu, a 10 u priobalju. Ukupna potencijalna godišnja proizvodnja el. energije putem VE na ovim lokacijama procjenjuje se u rasponu od 0,375 do 0,80 TWh godišnje. Osim tih lokacija potencijal na morskoj površini procijenjen je u rasponu od 350 do 500 GWh na godinu. Sve odabrane lokacije na jadranskom priobalju i otocima imaju srednju godišnju brzinu vjetra veću od minimalnih 5,5 m/s (lokacije koje imaju srednju godišnju brzinu vjetra manju od 5,5 m/s temeljem suvremenih svjetskih iskustava nisu prikladne i gospodarski opravdane za korištenje vjetra).

Ukupni kapacitet [MW]

Instalirano 2006.

Deinstalirano 2006.

72

Vjetropark Ravne, otok Pag Na Ravnama iznad Paga od kraja 2004. godine izgrađen je sustav od sedam vjetroelektrana, duljina odabrane lokacije je približno 2 km. Na visini od 20 m iznad tla izmjerena je srednja godišnja brzina vjetra od 6,4 m/s. Temeljem prikupljenih podataka, donja granica očekivane godišnje proizvodnje el. energije iznosila bi približno 12,36 GWh. Jaki i česti udari bure izmjereni na ovoj lokaciji, često zabilježeni i veći od 40 m/s, dijelom su uvjetovali i izbor tipa vjetro-turbine. Proizvođač prve vjetroelektrane je njemačka tvrtka Nordex. Instalirano je 7 x 850 kW vjetro-turbina, čija je ukupna snaga 5,95 MW. Promjer rotora je 50 metara, površina rotora 1964 m2 , a visina stupova 50 metara. Vrh krila u duljini 3,7 metara je moguće zakrenuti do 85° u odnosu na glavno krilo i služi kao aerodinamička kočnica. Generator smješten u trup turbine je dvonamotni 4/6 polni vodom hlađen kavezni asinkroni motor. Za vrijeme slabijeg vjetra radi kao 6-polni 200 kW, a kod većih brzina vjetra kao 4-polni 800 kW generator. Priključen je na distribucijsku mrežu preko tiristorske jedinice. Ukupna investicija iznosi približno 48 milijuna kuna, od toga 2,3 milijuna kuna otpada na troškove priključka te na konstrukciju i prilagodbu mjesta priključka. Otkupna cijena proizvedene energije je 90 % prosječne prodajne cijene el. energije, odnosno donja granica otkupa je 0,0485 eura/kWh. Prema proračunima, očekivana godišnja proizvodnja električne energije je između 13,5 i 15 GWh. Vrijeme trajanja ugovora je 15 godina. Osnovni elementi i uvjeti privređivanja vjetroelektrane definirani su Ugovorom o kupoprodaji električne energije, potpisanim u jesen 2001. te revidiranim u proljeće 2004. godine između Hrvatske elektroprivrede i tvrtke Adria Wind Power. Vjetropark Trtar-Krtolin, kod Šibenika Na brdima Trtar i Krtolin u zaleđu Šibenika od lipnja 2006. pušteno je u pogon 14 vjetroturbina koje će proizvoditi 32.000 MWh električne energije, što će zadovoljiti potrebe 10.000 domaćinstava. Osnivači i vlasnici su njemačke tvrtke WPD International GmbH i Enersys Gesellschaft für regenerative Energien mbH, a otkup električne energije osiguran je ugovorom s Hrvatskom elektroprivredom. Vjetroelektrana je sklopila ugovor o sponzorstvu s Gradom Šibenikom i 0,5 posto godišnjeg prihoda od proizvodnje električne energije izdvajat će kao potporu projektima u Šibeniku. Financiranje gradnje Vjetroelektrane Trtar-Krtolin strukturirano je prema modelu projektnog financiranja, jer se projekt kreditira novčanim tokom koji sam generira. Rok otplate kredita je 14 godina, a s HEP-om je sklopljen ugovor o kupoprodaji električne energije na rok od 15 godina. Osim ovih vjetroelektrana, u planu su i novi projekti, odnosno izgradnja još dvije vjetroelektrane na Pagu, Novalja 1 i 2, nazivne snage 17,00 MW, jedne u Dubrovačkom primorju, Rudina, nazivne snage 52,5 MW, dvije vjetroelektrane na Visu i jedne kod Obrovca, a procjenjuje se da u Hrvatskoj ima stotnjak lokacija za vjetroelektrane ukupne snage oko 600 MW. Na obroncima Čićarije rovinjska Valalta i njemački Wallenbron Projektentwicklung planiraju gradnju 34 vjetroturbogeneratora snage 80 MW, vrijednu 80 milijuna eura. U planu je i gradnja vjetroelektrana kod Senja i Gračaca. U različitim fazama pripreme, od mjerenja vjetropotencijala do u cijelosti pripremljenih projekata, danas je više od 50 vjetroelektrana u Hrvatskoj.

73

5. ENERGIJA SUNČEVOG ZRAČENJA Energija Sunca osnovni je pokretač svih klimatskih i životnih ciklusa na Zemlji. Stoga je Sunce predstavljalo centar pravjerovanja brojnih civilizacija. Danas Sunce doživljavamo kao izvor ugode i kao enormni neiskorišteni potencijal za podmirivanje energetskih potreba uz minimalan utjecaj na globalno zagrijavanje. Nastavak poglavlja opisuje kako se određuje potencijal Sunčeva zračenja. Potom slijedi opis korištenja Sunčeva zračenja u toplinskim i primjenama za proizvodnju električne energije.

5.1 Potencijal Sunčeva zračenja Energija Sunčeva zračenja kontinuirano pristiže na Zemlju koja se okreće oko svoje osi i oko Sunca. Posljedično imamo dnevne i sezonske mijene snage Sunčeva zračenja koje stiže do površine Zemlje. Snaga Sunčeva zračenja na ulazu u Zemljinu atmosferu, pri srednjoj udaljenosti od Sunca, iznosi 13701 W/m2. Do površine Zemlje stiže otprilike pola. Ukupno Sunčevo zračenje koje dođe na Zemlju vrati se natrag u svemir2. Snaga koju stvarno na površini imamo značajno ovisi o prilikama u atmosferi i o oblacima. Za grubu ocjenu prosječne snage Sunčeva zračenja na površini zemlje tijekom cijele godine se može uzeti vrijednost od skoro 200 W/m2. Jednostavni račun s površinom Zemlje okrenutom Suncu može ocijeniti godišnje dozračenu energiju. Slika sa strane uspoređuje preko volumena kocke energiju Sunca dozračenu na Zemlju (1) s rezervama primarnih izvora energije i ukupnom svjetskom potrošnjom energije (7). Nedvojbeno je da se radi o enormnim količinama energije mnogostruko većim od svih rezervi ugljena (4), prirodnog plina (3), nafte (5) i urana (6) zajedno. Iznos trenutno korištene Sunčeve energije prikazuje najsitnija kocka broj 2. Za neku određenu lokaciju potencijal Sunčeva zračenja se određuje mjerenjem i analitički. Mjeriti se može lokalno ili satelitski. Analitički pristup daje zadovoljavajuće rezultate ukoliko je poznat tzv. indeks prozračnosti (Kt – određuje koliko zračenja dođe do površine). Piranometrom (termičkim ili poluvodičkim) se mjeri globalna (ukupna), direktna i difuzna (raspršena) ozračenost na horizontalnu površinu (gustoća energije - H Wh/m2). Daljnja analitička procjena je nužna zbog toga što su rezultati mjerenja najčešće dostupni samo za ukupnu ozračenost i jer se konverzija Sunčeva zračenja odvija pod određenim kutom (β) u odnosu na horizontalnu površinu, a difuzno i direktno zračenje također ovise o tom kutu i o indeksu prozračnosti. Dodatno treba voditi računa i o reflektiranoj komponenti koja ovisi o direktnoj komponenti, kut β i specifičnoj konfiguraciji terena.

1 Uslijed blage ekscentričnosti putanje Zemlje oko Sunca i različite udaljenosto tijekom godine vrijednost Solarne konstante varira ±3,5%. To se može zanemariti prema ostalim varijabilnim utjecajima. 2Na putu do površine Zemlje oko 30% direktno se odbija natrag u svemir (od atmosfere 6%, od oblaka 20% i od zemlje 4%), oko 19 % apsorbira se u atmosferi (oblaci 3%, atmosfera iznad 16%), a ostatak upije kopno i more. Iz zemlje i oceana sve se vraća natrag: zagrijavanjem zraka 7%, isparivanjem vode 23% i infracrvenim zračenjem 21%. Uz prethodne izmjene u oblacima i atmosferi Zemlju na kraju napušta infracrvenim zračenjem 70% Sunčeve energije.

74

Obrađeni podatci su dostupni od različitih institucija koje integriraju mjerenja meteoroloških postaja i satelita s analitičkom obradom za višegodišnja razdoblja i različite rezolucije. Svi izvori koji nisu rezultat posebnih mjerenja za konkretnu lokaciju imaju neodređenost koja može biti i do 30%. Varijabilnost uslijed lokalnih vremenskih prilika još je veča. Neodređenost je manja na razini procjene za ukupnu godišnju ozračenost. Primjer izvora podataka koje je moguće kupiti je European Centre for Medium Range Weather Forecast (2,5x2,5o i preciznije, data.ecmwf.int/data). Postoje i podatci koji su slobodno dostupni, npr.: NASA Surface Meteorology and Solar Energy za razdoblje od 1983-19993 u rezoluciji od 1o, i Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) za mrežu od 1 do 2 km. Slika 5.1 prikazuje ilustraciju PVGIS podataka za horizontalnu površinu.

ožujak lipanj rujan prosinac

Slika 5.1. Prosječna dnevna ozračenost na ravnu površinu [kWh/m2]

Slika 5.2 prikazuje PVGIS podatke sumarno za cijelu godinu uz optimalni kut. Optimalni kut se također treba odrediti za svaku lokaciju.

http://data.ecmwf.int/data�

75

Slika 5.2. Ukupna godišnja ozračenost [kWh/m2] za površinu pod optimalnim kutom

Prema PVGIS podatcima optimalni kut se za područje RH kreće od 33o na sjeveru do 37o na jugu. Valja imati na umu da se optimalni kut mijenja tijekom godine zbog prividnog kretanja sunca3. Kod fiksnih instalacija je potrebno odabrati optimalni kut za maksimalnu godišnju energiju ili za maksimalnu energiju tijekom slabijih sunčanih dana. Najbolje je rješenje koje prati kretanje sunca. Time se može povećati dobivena energija za 25-40% - više se postiže na praćenje Sunca u dvije osi i za sunčanije lokacije (Slika 5.3).

3 Prema PVGIS npr. za Zadar optimalni kut na nivou godine je 36o, a za pojedine mjesece: 45o u ožujku, 10o u lipnju, 41o u rujnu i 66o u prosincu.

76

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Slika 5.3. Globalno ozračenje tijekom godine za razne nagibe i za 2-osno pračenje za centralnu Europu [35]

Spektar svjetlosti koja obasjava FN ćeliju ovisi o debljini i sastavu atmosfere kroz koju prolazi. Slika 5.4. ilustrira utjecaj stanja u atmosferi (smog i oblaci) na intenzitet.

Slika 5.4. Utjecaj stanja u atmosferi i naoblake na intenzitet Sunčeva zračenja tijekom dana

Ovisno o dobu dana, zemljopisnoj širini i godišnjem dobu svjetlost do neke točke na površini Zemlje putuje kroz deblji ili tanji sloj atmosfere. Koliki je taj put u odnosu na najkraći izražava se kao omjer mase zraka (AM)4. Slika 5.5 prikazuje spektar Sunčeva zračenja na ulazu u utmosferu i na tlu nakon direktnog prolaza.

4 AM ' Air Mass, po konvenciji se površina atmosfere označava sa AM=0.

77

Slika 5.5. Spektar Sunčeva zračenja na ulasku u atmosferu i na površini Zemlje

[35]

Za procjenu potencijala korištenja Sunčeva zračenja i preliminarne analize primjene dovoljni su i ovako relativno grubi podatci. Ograničenje za korištenje Sunčeve energije u podnebljima poput našega sigurno nije primarno u dostupnim podatcima o potencijalu. Vodeća Europska zemlja u korištenju Solarne energije je Njemačka gdje je godišnja prosječna ozračenost na optimalnu površinu ispod 1000 kWh/m2.

78

5.2 Toplinska primjena Pod toplinskim korištenjem Sunčeva zračenja podrazumijeva se direktna primjena za zagrijavanje objekata, grijanje vode ili u novije vrijeme korištenje u rashladnim uređajima. Toplinska primjena se dijeli još na pasivnu i aktivnu.

5.2.1. Pasivna arhitektura Najstariji oblik korištenja energije Sunčeva zračenja je u pasivnoj arhitekturi. Pasivna gradnja ponajprije znači da se stambene cjeline i objekti grade tako da se čim više zagrijavaju kada je tijekom godine hladno i da se što manje zagrijavaju kada je toplije godišnje doba. Ovo je moguće postići zahvaljujući činjenici da je kut (deklinacija) pod kojim se Sunce, u krajevima sjeverno od ekvatora, nalazi tijekom ljeta veći od onoga preko zime. Pasivno rješenje predstavlja nadstrešnica na južnom dijelu nastambe. Ljudi ovo koriste već više od dva milenija. Pasivna gradnja dodatno može biti u dobroj izolaciji objekta; zidovima i podovima koji imaju dodatnu masu za akumuliranje topline (akumulacija preko dana za noćne potrebe); odgovarajućom izvedbom prozora; dodatnim izvorom svjetla iz posebnih kanala. Postoje i rješenja koja strogo gledano nisu pasivna gdje se može npr. pomicati pokrov ili dio fasade. Kontrolirana ventilacija također doprinosi učinkovitosti i komforu. Pretpostavka pasivnoj gradnji je značajna južna površina i da nema zasjenjivanja okolnih objekata. Dodatno treba planirati uređenje oko objekta raslinjem za stvaranje sjene zelenilom preko ljeta i osiguravanjem zaklona od vjetra preko zime. Slika 5.6 ilustrira dio navedenih mjera.

Slika 5.6. Primjer pasivne arhitekture (www.inhabitat.com Green Building)

Europska unija planira primjenom pasivne gradnje nadomjestiti 35 Mtoe energije za grijanje objekata (potrebe za oko 1,5 milijuna domova). Ovo se nastoji ostvariti kroz definiranje standarda pasivne gradnje, edukacijom i povezano sa poticanjem učinkovitosti. Premda kompletne učinke pasivne gradnje nije jednostavno valorizirati one

http://www.inhabitat.com/ 2006/08/09/green-building-101-energy-atmosphere-part-1/�

79

nedvojbeno predstavljaju najjednostavniji, najdjelotvorniji i ekonomičan način korištenja energije Sunca.

5.2.2. Toplinski kolektori Korištenje energije Sunca preko toplinskih kolektora malo je složenije od pasivnih rješenja ali zato sigurno najisplativije. Rješenja mogu biti sa i bez aktivnih komponenti te mogu koristiti zrak ili vodu kao radni medij. Dalje se mogu razlikovati po temperaturi koju postiže radni medij, tako imamo: nisko, srednje i visoko temperaturne primjene. Najjednostavnija nisko temperaturna rješenja se koriste za grijanje bazena ili industrijskih objekata. Izvode se sa cijevima bez pokrova ili sa fasadama koje imaju zračne prolaze. Najbolji su za temperature do 10 oC iznad okolišne (slika 5.7.).

www.re-solutions.org (NREL)

Slika 5.7. Nisko temperaturni kolektori za grijanje vode u bazenima i za grijanje prostora

Nešto složeniji srednje temperaturni kolektori imaju pokrov od stakla te posebne premaze koji pospješuju apsorpciju uz minimalnu emisiju. Koriste se za grijanje objekata i tople vode. Najbolji stupanj djelovanja imaju za temperature medija do 50 oC iznad okolišne. Visoko temperaturni kolektori su najsloženiji jer zahtijevaju vakumirane staklene cijevi i dobru izolaciju. Prednost im je što omogućavaju postizanje temperatura iznad 50 oC, a u posebnim izvedbama i preko 100 oC. Slika 5.8. prikazuje presjek vakumirane cijevi visoko temperaturnog kolektora.

http://www.re-solutions.org/�

80

Slika 5.8. Presjek evakuirane staklene cijevi visoko temperaturnog kolektora Na kraju 2005. u svijetu je bilo ukupno instalirano 1115 GWt kapaciteta solarnih kolektora. Kina6 sa 52 GWt instaliranih kapaciteta neprikosnoveno vodi, drugi SAD ima malo više od 20 GWt, potom slijede Turska Njemačka i Japan sa oko 5 GWt, Australija i Izrael imaju oko 3 GWt i na kraju vrijedno spomena je da Grčka, Austrija i Brazil imaju oko 2 GWt instaliranih solarnih kolektora. Pored ogromne razlike u instaliranim kapacitetima jednako je velika razlika u relativnom udjelu pojedinih vrsta kolektora. Tako Kina jedina ima preko 90% instalirane visoko temperaturne kolektore sa evakuiranim cijevima. Potom SAD ima preko 90% nisko temperaturnih kolektora bez pokrova (primarno za grijanje bazena) i tome je slično stanje samo u Australiji. Sve ostale zemlje (uključujuči Europu) imaju primarno instalirane srednje temperaturne kolektore sa pokrovom. EU trenutno ima instalirano preko 10 GWt, ali polovica od toga u Njemačkoj koja ima dvije trećine instalacija zajedno sa Grčkom i Austrijom. Planovi7 su do 2010 ostvariti 100 milijuna m2. Stope rasta koje se ostvaruju potvrđuju realnost potencijala ovakvog korištenja Solarne energije. Modeliranje rada solarnog kolektora se može promatrati pojednostavljeno sa modelom koji preuzetu toplinu u mediju (npr. voda) izražava proporcionalno transmitivnosti pokrova (τ) i apsorptivnosti (α) apsorbera, a gubitke proporcionalno koeficijentu ukupnih gubitaka (k W/m2K) i razlici temperature medija prema okolišu (ΔT). Pojednostavljeno obje topline su proporcionalne faktoru (F) prijenosa topline između apsorbera i vode. Za kolektor površine A dobivena toplina Qk u vremenu Δt ovisi o ozračenosti prema izrazu 5.1.

Qk = F ⋅A [τ ⋅ α ⋅H - k⋅ ΔT⋅ Δt] (5.1)

Efikasnost kolektora predstavlja omjer dobivene topline i dozračene energije Sunca. Često se efikasnost kolektora prikazuje u funkciji omjera razlike temperature medija i

5 Prema AEE Intec Solar Heat Worldwide 6 Kina ima plan da do 2015. sa preko 1500 GWt osigura da oko 25% stanovništva koristi Solarne kolektore. 7 Pojednostavljeno se uzima da 1 m2 ima potencijal za 0,7 kWh na dan (oko 250 kWh godišnje).

81

okolnog zraka prema iznosu ozračenosti. Slika 5.9. prikazuje kretanje efikasnosti tri različite vrste kolektora.

www.wbdg.org

Slika 5.9. Efikasnost različitih izvedbi kolektora u ovisnosti o ΔT i ozračenja Slike 5.10. i 5.11. prikazuju najčešći način korištenja solarnih kolektora: pasivno i aktivno. Pasivna rješenja su popularnija, a i primjerenija za sunčanija podneblja.

Slika 5.10. Najjednostavnija popularna primjena pasivnog kolektora

http://www.wbdg.org/�

82

Solarni kolektor

Izolirane cijevi

PumpaSpremnik

Hladna vodaTopla voda

Pom. grijač vode

Rasteretni ventil

Ispust

Slika 5.11. Aktivna izvedba solarnog kolektora

5.2.3. Hlađenje Sve su brojniji projekti koji demonstriraju direktnu primjenu Solarne energije za hlađenje. Za kompletnu dostatnost se razmatraju kombinirana rješenja sa bojlerima na biomasu. Stanje razvoja je pred uvođenjem na tržište i značajno smanjenje cijene se očekuje u idućim godinama. Važnost primjene Solarne energije za hlađenje je u sve većim potrebama za električnom energijom u ljetnim mjesecima i maksimalnom poklapanju sa njenom dostupnosti. Solarno hlađenje radi tako da zamjenjuje kompresor, pogonjen el. en., procesom koji koristi medij za preuzimanje topline s vrlo niskom točkom ključanja (ispod 0 oC). Uređaj se sastoji od bojlera, kondenzatora, evaporatora i absorbera. Može se koristiti amonijak pod tlakom tako da je tekuć na sobnoj temperaturi, a potrebni su još vodik i voda. Razvijaju se i rješenja s litij bromidom i vodom. Hlađenje bez korištenja mehaničke energije poznato je još od početka prošlog stoljeća kada je bilo popularno jer el. en. nije bila dovoljno dostupna za razliku od izvora ostatne topline. Ovakav način rashlađivanja se izvodi na apsorpcijski i adsorpcijki naćine.

83

5.3 Proizvodnja električne energije Električna energija se proizvodi iz energije Sunca na dva različita načina: posredno preko toplinskog kružnog procesa i direktno korištenjem fotoefekta. Prvi je pristup znatno bliže ekonomičnosti, ali za drugi pristup postoji veći poticaj i brže se razvija.

5.3.1. Termoelektrane na Sunčevu energiju Termoelektrane na Sunčevu energiju se ne razlikuju u osnovi od ostalih termoelektrana u dijelu koji pretvara toplinsku energiju u električnu. Uvijek se primjenjuje desnokretni toplinski kružni proces koji preko turbine ili nekog drugog toplinskog stroja pretvara toplinsku energiju u mehaničku i električnu preko generatora. Tri su različita rješenja Solarnih termoelektrana relevantna prema iskustvu i potencijalu za ekonomičnu primjenu: parabolična protočna, Solarni toranj i parabolični tanjur. Sve ove termoelektrane koriste primarno direktnu komponentu Solarnog zračenja i za dostatnu učinkovitost moraju pratiti kretanje Sunca. Pokraj navedenih rješenja zanimljivo je spomenuti i tzv. Solarni dimnjak koji se bazira na solarnim kolektorima i zračnim turboagregatima. Postoje eksperimentalna rješenja, ali njihov potencijal za sada izgleda manji od solarnih termoelektrana. Potrebno je oko 200 m2 površine za 1 kWe.

Parabolična protočna solarna termoelektrana

Rješenje solarne termoelektrane (STE) s poljem cijevi u fokusu polja linearnih paraboličnih koncentratora ima najveći potencijal za posve komercijalno korištenje. Kumulativno iskustvo i ukupne probne instalacije daleko premašuju sva ostala rješenja solarnih TE. Veliko iskustvo sa ovim rješenjem dolazi od 354 MWe instalacija u Mojave pustinji u Californiji još prije 20 godina čini parabolične protoče STE najrazvijenijom tehnologijom. Relativni zastoj u aktivnostima se mijenja u zadnje vrijeme izgradnjom postrojenja u Španjolskoj, Izraelu i drugdje, ali uz zastoje i nejasnu kratkoročnu budućnost. Koncentracijom Sunčeva zračenja od 75x postižu se temperature radnog medija i do 400 oC. Ukupna efikasnost ovisi o specifičnoj izvedbi, ali se kreće oko 12%. Solarni koncentratori mogu pratiti Sunce samo u jednoj osi i to je obično istok-zapad. Kao kružni proces se uobičajeno koristi Rankineov direktni ili posredni. Usklađivanje dostupnosti energije Sunca i potrošnje se rješava toplinskim spremnicima velikog kapaciteta (otopljene soli). Optimalna snaga postrojenja se računa na oko 200 MWe (najviše zbog površine). Slika 5.12. ilustrira pilot postrojenje parabolične protočne STE i cijevi kroz koju prolazi medij za preuzimanje topline. Potrebno je oko 20 m2 površine za 1 kWe.

84

Slika 5.12. Parabolična protočna solarna TE 30 MWe Kramer Junction, California

Slika 5.13. prikazuje ilustraciju sheme jednog rješenja cijele parabolične protočne STE Prikazano rješenje nema spremnik toplinske energije, ali ima dodatni izvor topline iz klasičnog goriva za povećavanje ukupnog stupnja djelovanja i osiguravanje rada u trenucima kada nema Sunca.

Slika 5.13. Shema primjera izvedbe parabolične protočne Solarne TE s

dogrijavanjem

85

Solarna termoelektrana sa solarnim tornjem

Rješenje STE sa centralnim tornjem prema kome su usmjerena reflektirajuća zrcala vrlo je slično rješeno u ostatku postrojenja paraboličnoj protočnoj izvedbi. Tehnologija sa centralnim tornjem je nešto slabije razvijena. Ovdje se postižu koncentracije Sunčevih zraka do 800x i temperature u tornju do 560 oC (istopljena dušična sol, organske kapljevine ili zrak). Optimalna snaga se procjenjuje u rasponu od 100 do 100 MWe. Potrebno je oko 20 m2 površine za 1 kWe. Slika 5.14. ilustrira pilot postrojenja STE sa solarnim tornjem.

Slika 5.14. Solarni toranj 11 MWe (Španjolska, 600 ogledala) i Solar II 10 MWe

California (2000 ogledala, 100 m toranj, 40 M$)

Slika 5.15. prikazuje pozitivan utjecaj toplinskog spremnika na mogućnost pomicanja proizvodnje el. en. prema potrebama. Važnost toplinskog spremnika je identična kao i kod protočnih paraboličnih STE. Kod oba rješenja najveći utjecaj na ukupnu efikasnost imaju refleksija sunčevih zraka i termodinamička pretvorba.

Snag

a M

W

Slika 5.15. Utjecaj spremnika topline na pomak dostupne el. en.

86

Solarna termoelektrana sa paraboličnim tanjurom

Najmanje razvijena od tri opisane STE je izvedba sa paraboličnim tanjurima (slika 5.13.). Ove STE najmanje izgledaju kao uobičajene termoelektrane jer jedna jedinica ima snagu od 10 do 25 kWe. Kompletan toplinski stroj i generator se nalaze smješteni u fokusu tanjura promjera oko 10 m. Uobičajena izvedba je sa Stirlingovim toplinskim strojem (postoje izvedbe sa mikroturbinama i Braytonovim kružnim procesom). Stirlingov motor ima prednost zbog efikasnosti (i preko 40%), ali problem predstavlja pouzdanost. Ukupna efikasnost koja se postiže iznosi 22% što je bolje od ostalih izvedbi STE Sunčeva svjetlost se koncentrira više od 3000x što predstavlja izazov kod realizacije (skupo). STE sa paraboličnim tanjurom karakterizira velika gustoća snage (oko 55 kW/l). Medij u toplinskom stroju postiže temperature od preko 750 oC. Značajna razlika STE sa paraboličnim tanjurom u odnosu na ostale izvedbe u jediničnoj snazi određuje i potencijal za primjenu kao distribuirani izvor el. en. za izdvojene lokacije i sl. Trenutno u svijetu postoji više MWe ukupno instaliranih jedinica u svrhe razvoja i probnog rada.Postoje planovi za stotine MWe instalacija.

Slika 5.16. Ilustracija izvedbi STE sa paraboličnim tanjurom

87

5.3.2. Fotonaponske ćelije Pojavu da svjetlost određene valne dužine kada obasjava neki metal (npr. cink ili natrij) iz njega izbije elektron otkrio je još Becquerel 1939. Objašnjenje ove kvantnomehaničke pojave, kojom se može proizvoditi električnu energiju, dao je Einstein 1905. Prva moderna izvedba fotonaponske ćelije, koja iskorištava opisani efekt, ostvarena je 1954. u Bell Labs. Prema podatcima za 2006. u svijetu ima 8400 MWe instalirane snage fotonaponskih ćelija. EU ima instalirano preko 40% ukupnog svjetskog kapaciteta, a preko 90% toga je instalirano u Njemačkoj. Fotonaponsko korištenje Sunčeve energije sa svojim eksponencijalnim rastom od 40% godišnje predstavlja trenutno najbrže rastući novi izvor. Ovako veliki rast predstavlja potencijalni izvor za poremećaje sa dobavom osnovnih sirovina (npr. silicija i indija). Razvoj i pojavljivanje na tržištu novih tehnologija poput tankog-filma, uz solidan stupanj djelovanja od 10 i više postotaka, predstavlja nadu da će se potrebe za osnovnim sirovinama barem dijelom relaksirati. Najveći proizvođači fotonaponskih ćelija su redom u Japanu, Europi, Kini i SAD-u. Vodeća tri proizvođača su Sharp (JP), Q-Cells (DE) i Kyocera (JP).

Slika 5. 17. Najveća FN elektrana sa tankim filmom otvorena 2007. u Njemačkoj (6 MWp, 90000 modula površine 66775 m2)

Fotoefekt kojim se može proizvoditi električna energije nastaje kada foton dovoljne energije pogodi elektron u neutralnom p-n poluvodičkom spoju. Poluvodič p-tipa ima slobodne elektrone i nastaje kada se kristal silicija (4 valentna elektrona) dopira 3-valentnim elementom, npr. borom, a n-tip ima slobodne šupljine (manjak elektrona) i nastaje dopiranjem silicija 5-valentnim elementom, npr. fosforom. Na spoju ova dva tipa poluvodiča, rekombinacijom elektrona i šupljina, nastaje neutralno područje sa električnim poljem. Da bi foton u sudaru prebacio elektron kroz to polje treba dobiti najmanje energiju jednaku tom polju. To praktično znači da svi fotoni koji imaju energiju manju od potrebne ne mogu ostvariti fotoefekt, a svi elektroni koji imaju veću energiju od potrebne ostvaruju izbacivanje samo jednog elektrona. Različiti materijali imaju određeni iznos energije praga ili zabranjenog pojasa.

Teorijska iskoristivost Sunčeve svjetlosti za proizvodnju električne energije u fotonaponskoj ćeliji sa jednim p-n spojem ograničena je energijom praga kristala i nizom efekata gdje se gubi energija (npr. zagrijavanje i parazitne struje ovisno o

88

temperaturi). Od teorijskog maksimuma za silicij od 28% na 0 oC u laboratoriju je ostvareno 25%. Praktično se može postiči stupanj djelovanja i preko 50% kombiniranjem više p-n spojeva zajedno i drugim naprednim rješenjima (npr. kvantne točke i udubljenja) koja iskorištavaju potpunije spektar Sunčeva zračenja. Napon i maksimalna efikasnost na fotonaponskoj ćeliji ovise o energiji praga poluvodiča (Slika 5.18.).

Slika 5.18. Teorijska efikasnost za razne poluvodičke materijale i prosječne uvjete [35]

Strujno naponska karakteristika FN ćelije je slična onoj poluvodičke diode, ali kao izvor el. en. Za praktične primjene dobro je gledati I-U karakteristiku na nivou modula u koji se FN ćelije spajaju. Način povezivanja FN ćelija u module ovisi o željenom izlaznom naponu i snazi koje se želi postići. Slika 5.19. prikazuje I-U karakteristiku za Si FN ćeliju.

89

Slika 5.19. Strujno naponska karakteristika FN ćelije u ovisnosti o snazi Sunčeva zračenja i temperaturi [35]

Praktične izvedbe FN ćelija karakterizira napon otvorenog kruga, struja kratkog spoja te stupanj djelovanja. Kod instalacije FN modula treba paziti na to da stupanj djelovanja FN ćelije pada sa porastom temperature (skoro 0,5% za +1 oC), Slika 5.19. Važna je činjenica da izgled karakteristike FN diode određuju unutrašnji otpori i da se maksimalna snaga na trošilu postiže samo u jednoj točki. Slika 5.19. ilustrira pomicanje točke maksimalne snage ovisno o Sunčevu zračenju i temperaturi. Tablica 5.1 ilustrira osnovne podatke za razne vrste FN ćelija.

Tablica 5.1 Osnovni parametri za odabrane FN ćelije

Vrsta ćelije Uok V Jks / (mA cm-

2) η % Proizvodnja

Monokristalična-Si Polikristalična-Si Amorfna-Si Amorfna-Si, 2 sloja, tanki film Cd S / Cu2 S Cd S / Cd Te Ga In PAs / Ga As

0,65 0,60 0,85 0,5 0,7 1

30 26 15 20 15 25

14- 18 ~14

8 8,8 12

10,7 21

masovna masovna masovna manje količine manje količine manje količine manje količine

Moderne instalacije za FN primjene uključuju uređaje za praćenje točke maksimalne snage ovisno o promjeni opterećenja i promjeni snage Sunčeva zračenja.

Slika 5.20. U-I karakteristika za različita spajanja fotonaponskih ćelija [35]

90

Kod primjene FN ćelija razlikujemo tri segmenta: potrošački proizvodi, otočna proizvodnja i rad na mreži. Daleko najveći8 dio primjene je u neekonomičnim instalacijama spojenima na mrežu. Sve ostale primjene su ekonomične. Potrošački proizvodi poput satova i najrazličitijih uređaja imaju svoju dodatnu vrijednost koja opravdava ugradnju FN ćelija. Samostalne instalacije zbog izdvojenosti mogu imati ekonomsku opravdanost bilo u industrijskim primjenama ili u elektrifikaciji udaljenih naselja. Poticajnim mjerama se stimulira neekonomične FN primjene sa ekološkim i razvojnim argumentima. Djelovanje ekonomije velikih brojeva ima svoj učinak i cijena FN ćelija stabilno se smanjuje. Ovo je posebno izraženo sa ambicioznim uključivanjem Kine u proizvodnju i primjenu FN ćelija. Referentna cijena FN ćelije se obično izražava po vršnoj snazi9. Za proizvodnju el. en. iz fotonaponskih ćelija, koja bi bila blizu ekonomičnosti, potrebno je višestruko smanjenje cijene vršne snage (otrpilike 4x na ispod 1 €/W za cijenu od 0,1 €/kWh). Uobičajeno samostalna primjena FN panela uključuje i uređaj za kontrolu punjenja i pražnjenja baterije za optimalni rad i produljenje životnog vijeka baterije. Za primjene spojene na mreži akumulatori nisu nužni, osim u hibridnom radu, ali je zato nužan pretvarač istosmjernog u izmjenični napon. Ovisno o propisima za mrežni priključak potrebno je zadovoljit još neke dodatne kriterije. Npr. FN instalacija ne smije napajati mrežu kada ostane bez glavnog napajanja. Slika 5.21. ilustrira spoj FN sistema na mrežu.

Slika 5.21. Shema priključivanja FN sistema za različite primjene

Pokraj razvoja proizvodnje veliki potencijal za postizanje ekonomičnosti proizvodnje el. en. iz FN instalacija ima internaliziranje eksternih troškova konvencionalnih fosilnih izvora i preciznije valoriziranje cijene el. en. u različitim trenutcima. Slika 5.22. ilustrira profil dostupne Solarne energije i profil potrebe za el. en. tijekom dana. FN ćelije predstavljaju jedno od najdinamičnijih područja kada je riječ zajedno o istraživanju, razvoju, proizvodnji i primjeni novih izvora energije.

8 Preko 70% FN instalacija godišnje bilo spajano na mrežu 2002. Danas je to vjerojatno oko 90%. 9 Vrijednost za 2006. je u razvijenom svijetu blizu 4€/W, a u Kini ispod 3 €/W.

91

Slika 5.22. Podudarnost Sunčeve energije i potreba za el. en. tijekom dana

5.4. Zaključno Energija Sunca pokraj toga što je u osnovi većine drugih izvora energije ima i najraznolikije mogućnosti za korištenje. Tu je najprije najrasprostranjenija jednostavna pasivna gradnja i solarni kolektori za ekonomično zagrijavanje. Slijede Solarne termoelektrane sa iskustvom i razvijenošću blizu po ekonomičnosti konvencionalnim izvorima. Na kraju dolaze fotonaponske ćelije sa mogućnošću direktne proizvodnje električne energije. Eksponencijalni rast proizvodnje FN ćelija, uz sve veće uključivanje utjecaja na okoliš u cijenu električne energije i razvoj tržišta električne energije predstavljaju podlogu za dugoročnu sve bolju perspektivu korištenja energije Sunca. Kod korištenja energije Sunca treba uzimati u obzir i vrijednosti za povećavanje energetske sigurnosti te podsticanje ekonomskih aktivnosti uz sve indirektne koristi (zapošljavanje, manji uvoz energije i dr.).

92

6. GEOTERMALNA ENERGIJA

Svrstavanje geotermalne energije u obnovljive izvore opravdano je u širem smislu. Energija unutrašnjosti Zemlje nije obnovljiva, ali je ima toliko da za praktične primjene njeno eventualno iscrpljivanje nije važno. Povezanost geotermalne energije sa krutim, tekućim i plinovitim štetnim tvarima zahtjeva zatvoreni pristup korištenju da bi se osigurao relativno mali štetni utjecaj na okoliš. Nastavak sadrži objašnjenje prirode i porijekla geotermalne energije. Slijedi procjena geotermalnih resursa. Nakon toga opisani su načini korištenja geotermalne energije: direktno zagrijavanje i proizvodnja električne energije. Poseban osvrt je dan na specifičnosti vezane za postrojenja u kojima se proizvodi električna energija. Navedena je i procjena resursa te stanje korištenja kako za svijet općenito tako za Hrvatsku specifično.

6.1 Porijeklo i priroda geotermalne energije Gravitaciona energija i zaostala toplina od formiranja Zemlje te radioaktivni raspad rezultirali su enormnom unutrašnjom kaloričkom energijom Zemlje. Procijenjena temperatura unutrašnje jezgre od oko 4000 oC, na dubini od 6370 km, postupno opada do samo nekoliko stupnjeva na površini zemlje (uz značajan doprinos Sunčeve energije). Zemljina kora debljine oko 30 km pliva na omotaču oko vanjske i unutrašnje jezgre. Ponašanje unutar jezgri je relevantno za magnetske polove Zemlje, a dinamika omotača utječe na vulkanske erupcije i velike potrese. Za korištenje geotermalne energije od važnosti je samo Zemljina kora i to posebno na mjestima gdje se dodiruju tzv. tektonske ploče. To je stoga što ne postoji tehnološka mogućnost pristupa većim dubinama. Granice tektonskih ploča predstavljaju mjesta velikog rizika od aktivnih vulkana, potresa i dobar potencijal za korištenje geotermalne energije.

Slika 6.1. Tektonske ploče, aktivni vulkani i geotermalni izvori (UiB, Institutt for

geovitenskap)

93

Potencijal nekog područja za korištenje geotermalne energije grubo se može ocijeniti preko temperaturnog gradijenta ispod površine zemlje. Prosječan porast temperature iznosi manje od 30 stupnjeva Celzijevih na 1 km. Područje sa posebno dobrim potencijalom za korištenje geotermalne energije ima porast temperature oko 100 oC na 1 km. Međutim, kod dobrih izvora gdje se geotermalna energija i koristi porast temperature može biti i viši. Temperaturni gradijent služi samo za pojednostavljeni prikaz jer je stvarno kretanje temperature ovisno o prirodi geotermalnog izvora i sastavu tla. Potencijal za korištenje geotermalne energije ovisi o dubini na koju treba bušiti, sastavu tla i prisutnosti te stanju vode. Kapacitetom unutrašnje kaloričke energije prednjače najteže iskoristive suhe vruće stijene. Dostupne temperature se kreču između 150 i 300 oC na dubinama od 2,5 do 6 km. Najveći problem korištenju predstavlja preuzimanje toplinske energije. Da bi se preuzela toplina potrebno je dovesti medij (npr. vodu) i ostvariti kontakt sa vrućim stijenjem. Postoje razne ideje o stvaranju pukotina, ali sve je još uvijek u istraživanju.

Slika 6.1.a Porast srednje temperature u ovisnosti o dubini prema [37]

94

Na drugom mjestu po kapacitetu i potencijalu korištenja su geotermalni izvori na velikim dubinama sa vodom pod velikim tlakom. Na dubinama od 2,5 do 9 km dostupne su temperature od oko 160 oC sa tlakovima preko 100 MPa. Pored problema sa velikim tlakom smetnju predstavlja i velika slanost (4-10%). Potencijal za kombinirano korištenje predstavlja zasićenost prirodnim plinom - volumno pet puta više plina (najviše metana). Za iskorištavanje ovog potencijala još uvijek nedostaju tehnološka rješenja. Trenutno se koriste samo izvori do dubina od 5 km sa parom ili vodom na manjim tlakovima (do 0,8 MPa). Temperature su u rasponu od 90 pa sve do preko 300 oC. Veće vrijednosti su rjeđe. Najpoželjniji su rjeđi isključivo parni izvori (npr. Geysers SAD i Larderello Italija) gdje para izlazi na temperaturi od oko 200 oC. Brojniji su izvori vode gdje voda izlazi sama ili se mora pumpati. Korištenje izvora vode i pare na nižim tlakovima ne zahtjeva posebnu tehnologiju za bušenje. Ipak, postrojenja moraju raditi u uvjetima velikih koncentracija otopina (i preko 25000 ppm).

6.2 Geotermalni resursi Korištenjem podataka dobivenih bušenjem, satelitskim snimanjem i modeliranjem moguće je procijeniti geotermalne resurse. Pri tome najvažniji su podatci o temperaturama, količini vode/pare te o sastavu tla na nekom području. Geotermalne se resurse može klasificirati prema temperaturi: nisko temperaturni (ispod 90 oC), visoko temperaturni (preko 150 oC), a srednje temperaturni između. Temperature određuju mogućnosti korištenja i načine primjene. Samo visoko temperaturni izvori se smatraju ekonomičnim i praktičnim za proizvodnju električne energije. Procjena resursa se uobičajeno posebno iznosi za proizvodnju električne energije i za direktno korištenje toplinske energije. Dodatno se uzima u obzir sadašnje stanje tehnologije i predvidivo unapređivanje. Slike 6.3 i 6.3a koje slijede ilustriraju podloge za procjenu geotermalnih resursa u Europi i Hrvatskoj. Procjene su rezultat kombiniranja podataka dobivenih stvarnim bušenjima i modeliranjem uz pretpostavke o sastavu tla.

Slika 6.2. EU geotermalni potencijal (za suhe vruće stijene na 5 km dubine) Najkonzervativnija procjena svjetskih resursa geotermalne energije prema (Cataldi 1999 [23]) iznosi 5000 EJ, od toga se smatra 10% potencijalno iskoristivim za 100 godina. Uz pretpostavku da je 75% ekonomski iskoristivo i da je 33% visoko temperaturnih izvora dobije se potencijal od 670 EJ godišnje za direktnu primjenu i 1,2 EJ godišnje za proizvodnju električne energije (uz faktor opterećenja od 82% to je 46 GWe snage).

95

Puno optimističnija procjena prema (Stefansson 2002 [24]) polazi od iste procjene geotermalnih resursa, ali bez pretpostavke o iscrpljivanju. Uz slične ostale pretpostavke, bez umanjivanja od 25% za ekonomsku neiskoristivost, dobije se više od 125 puta veća procjena za proizvodnju električne energije i direktno korištenje.

Slika 6.3. Geotermalni potencijal u Hrvatskoj Za Republiku Hrvatsku najprije treba naglasiti da pola zemlje nema nikakav geotermalni potencijal dok pola predstavlja potencijal. Tako, dok južni dio zemlje ima ispodprosječni temperaturni gradijent (manje od 20 oC/km) na sjeveru je temperaturni gradijent iznad prosjeka (oko 50 oC/km sa varijacijama na posebnim lokacijama). Na temelju podatak iz stvarnih bušotina (oko 50 napravila INA) na dubinama od nekoliko km poznato je da potencijalni izvori imaju temperature vode od 40 do 170 oC. Prema tome se procjenjuje da je ukupni potencijal za proizvodnju električne energije skoro 50 MWe i direktno korištenje preko 800 MWt. Uz pretpostavku o faktoru opterećenja za proizvodnju el. en.od 80% to predstavlja potencijal za 0,35 TWh godišnje. Za direktno korištenje to je potencijal od oko 7 TJ godišnje.

96

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

Tablica 6.1 Direktne mogućnosti korištenja geotermalne energije prema temperaturi izvora

T [oC]

Direktno korištenje geotermalne energije (ilustracija nekih primjena)

160 140

120

100 80 60 40 20

Svjetski kapaciteti za direktno korištenje geotermalne energije procjenjuju se na 15 GWt instalirane snage i 191 PJ korištene topline godišnje (2000.). EU je u 2006. direktno iskoristila skoro 90 PJ (uključujući toplinske pumpe) s 9 GWt instaliranih kapaciteta. Direktna primjena je najveća za grijanje i odmah potom slijede kupališta, staklenici, ribogojstvo te industrija. Svaka zemlja ima svoje specifičnosti ovisno ne samo o geotermalnom potencijalu već i o brojnim drugim faktorima. Island je poseban primjer stoga što za ukupne potrebe primarne energije koristi oko 55% geotermalnu energiju (121 PJ, 2005.). Na prvom mjestu je grijanje (oko 60% ukupne korištene GE), a zanimljivo je korištenje za otapanje snijega i leda u naseljima. Hrvatska najviše direktno koristi geotermalnu energiju za toplice i lječilišta (oko 114 MWt instaliranih kapaciteta), a manji dio za zagrijavanje (oko 37 MWt). Potencijal je značajan za povećavanje korištenja za toplice i komunalno grijanje. Veliki je potencijal za Hrvatsku primjena u poljoprivredi (proizvodnja u staklenicima), uzgoju riba te industriji (posebno prehrambenoj). Potencijalno važno iskustvo u ovom smjeru će predstavljati izgradnja i korištenje lokacija Velika Ciglena i Lunjkovec-Kutnjak gdje se planira, uz zdravstvenu i turističku namjenu, direktno koristiti toplinu za sušare, proizvodnju povrća, uzgoj ukrasnog bilja, komunalno grijanje te jednim dijelom i proizvodnju električne energije. Mogućnost „pumpanja“ topline iz okoline korištenjem lijevokretnog kružnog termodinamičkog procesa često se primjenjuje za grijanje (i hlađenje) u razvijenom svijetu. Tzv. toplinske pumpe često se spominju zajedno sa geotermalnim izvorom energije. Dok se vanjska prosječna mjesečna temperatura zraka, za naše kontinentalno

97

područje, kreče u rasponu od -5 do +25 oC temperatura tla ostaje približno konstantna (ovisno o podneblju od 6 do 8 oC) tijekom cijele godine već na dubini od 8 do 10 m. Razlika prema zraku je iskoristiva i na dubini od 2 m gdje je godišnji raspon od 3 do 10 oC za suho tlo i par stupnjeva šire za vlažno tlo. Takav odnos temperatura u tlu i potrebne unutrašnje temperature u kući ili zgradi predstavlja potencijal za isplativo i racionalno zagrijavanje (hlađenje) s koeficijentom djelovanja od 3 do 6 (omjer dobivene toplinske energije i uložene el. en.). Ukupna djelotvornost ovisi pokraj konstantne manje razlike temperatura i o korištenoj tehnologiji a posebno o konkretnoj izvedbi (horizontalno, vertikalno, podzemne vode i drugo). Korištenje toplinskih pumpi u razvijenom svijetu na daleko je većoj razini od situacije u Hrvatskoj. To se najprije odnosi na pojavu jeftinijih klima uređaja sa mogućnošću crpljenja topline iz zraka koje imaju relativno mali koeficijent djelotvornosti. No, faktor preobrazbe je konstantniji i bitno bolji kod primjena sa korištenjem toplinskog spremnika u zemlje (nekoliko metara ispod površine). Slika 6.4 Tipična varijacija temperature

tla [38]

Geotermalna toplana

Potrošaći

Nalazište

Proizvodna bušotina

Povratna bušotina

Slika 6.5 Osnovni izgled geotermalnog postrojenja za komunalno grijanje [35]

Srednjatemp. u zemlji

LjetoZima

Lagano suho tloProsječno tloVlažno tlo

Temperatura tla (oC)

Dub

ina

ispo

d po

vrši

ne (m

)

98

6.4. Korištenje geotermalne energije za proizvodnju električne energije Proizvodnja električne energije korištenjem geotermalnog izvora u principu je slična klasičnoj konverziji unutrašnje kaloričke energije iz uobičajenih izvora toplinske energije (npr. ugljen). Sličnost prestaje kada je riječ o činjenici da treba otkriti dobro geotermalno nalazište i da je za to potrebno napraviti bušotinu (ili više njih) od nekoliko km. Dodatno, kod geotermalnih izvora vrlo su rijetki sa parametrima medija blizu parametara klasične termoelektrane. Trenutno se u svijetu koristi skoro 9 GWe10 instalirane snage geotermalnih elektrana (2005.) što predstavlja 0,2% ukupnih svjetskih kapaciteta za proizvodnju el. en. Prosječni faktor opterećenja iznosio je preko 70% i te su elektrane proizvele skoro 55 TWh el. en.. Europska unija ima ukupno 870 MWe instalirane snage geotermalnih elektrana (2007.) koje proizvode više od 9 TWh el. en. (prosječni faktor opterećenja 77%). Najkvalitetniji geotermalni izvori daju suhu paru visoke entalpije (temperature oko 240 oC) na ulazu u postrojenje. Takva postrojenja se po svojoj izvedbi i snazi (reda 100 MW) ne razlikuju značajno od klasičnih termoelektrana. Specifičnost su centrifugalni separator nečistoća prije turbine i parni ejektor za uklanjanje nekondezibilnih plinova (do 10% mase; CO2, NH4 i H2S) iz kondenzatora. Za smanjivanje potrebnog rashladnog protoka tlak u kondenzatoru je relativno visok (~135 kPa) i to, uz relativno male temperature, dodatno umanjuje termički stupanj djelovanja prema klasičnim postrojenjima. Na svijetu ima malo primjera koji koriste izvore suhe pare (Lardarello11 u Italiji, Matsukawa u Japanu, Geysers u SAD i Kamojang na Javi). Cijena ovakvih postrojenja sa bušotinama dvostruko je iznad cijene konvencionalnih (oko 2000 €/kW). Srednje dobri i najčešće korišteni geotermalni izvori daju na izlazu mokru paru. Temperatura fluida je preko 200 oC s velikim salinitetom (do 280e3 ppm). Separiranje pare se odvija u jednom, dva i rjeđe tri stupnja. Broj stupnjeva se povećava za bolji ukupni stupanj djelovanja kod lošijih izvora. Kombinirani proces proizvođenje el. en. i topline se koristi umjesto trostruke separacije pare. Cijena ovakvih postrojenja otprilike je 30% veća od onih sa suhom parom. Elektrane sa mokrom parom su manjih snaga (10-50 MWe) i koriste se u SAD, Japanu, Novom Zelandu, Meksiku i na Islandu. Ponajbolja nalazišta u Hrvatskoj dovoljno su dobra samo za korištenje najmanje djelotvornih i najskupljih postrojenja za konverziju geotermalne energije u el. en. s binarnim ciklusom. Ta se postrojenja služe Rankineovovim kružnim procesom, s organskim medijem (npr. amonijak, propan, izobutan ili freon 12), a toplina iz bušotine prenosi se preko izmjenjivača u kružni proces. Binarni ciklus se koristi za bušotine koje daju medij na temperaturi od 100 do 200 oC. Radni medij stoga mora imati nisku temperaturu isparivanja. Ovakva postrojenja imaju najmanje snage (do 10 MW). Njihova prednost je u odvajanju turbinskog dijela (kružnog procesa) od medija iz izvora i time smanjivanje korozije i taloženja. Uobičajeno za ovakve primjene su potrebne pumpe u proizvodnoj bušotini (za sprečavanje isparivanja medija u nalazištu). Cijena binarnih geotermalnih postrojenja sa bušotinama se procjenjuje na oko 3000 €/kW. Njihova

10 Od ukupno 23 zemlje koje proizvode el. en. iz geotermalne energije vodeći su Filipini (1900 MWe), SAD (1850 MWe), Meksiko (1000 MWe), Italija (700 MWe), Japan (600 MWe), Novi Zeland (400 MWe), Island (200 MWe) i Costa Rica (150 MWe) 11 Prva termoelektrana na geotermalnom izvoru sagrađena je u Larderellu u Toskani 1904.

99

termodinamička efikasnost iznosi oko 8% (kod boljih rješenja i parametara nalazišta i do 15%). Slika 6.6 prikazuje shematski postrojenje s binarnim ciklusom.

Slika 6.6. Shematski prikaz binarne geotermalne elektrane Na spomenutoj lokaciji Lunjkovec-Kutnjak planira se izgraditi binarno postrojenje koje će koristiti mješavinu vode i amonijaka u turbinskom krugu. Temperatura geotermalne vode je 140 oC, a protok od 53 do 70 l/s. Na povratku temperatura vode bit će manja od 70 oC. Snaga elektrane na pragu će iznositi od 1,85 do 2,47 MW ovisno o protoku. Očekivana efikasnost, uz faktor opterećenja 90%, je 13%. Ovako visok stupanj djelovanja za tako nisku temperaturu nalazišta ostvaruje se tzv. Kalina ciklusom. Slika 6.7 prikazuje prednost Kalina ciklusa sa mješavinom vode i nisko-temperaturno hlapljivog medija u usporedbi sa ciklusom koji koristi jedan medij (Rankineov). Mješavina isparava na promjenjivoj temperaturi i to osigurava bolji prijenos toplinske energije, u izmjenjivaču topline između turbinske strane i strane geotermalnog izvora, što rezultira boljom efikasnošću. Postoje i kombinirana rješenja sa dvije turbine gdje jedna radi na separiranu paru, a druga na organski medij. Npr. elektrana Puna na Hawaii-ma snage 30 MWe ima 10 modula na kombinirani ciklus spojenih na jedan generator (315 oC na 0,1 MPa). Na kraju za povećavanje snage i poboljšavanje termodinamičkog stupnja djelovanja zanimljiva su hibridna rješenja. Dodatni izvor toplinske energije predstavljaju fosilna goriva ili biomasa. Jedno rješenje je da se geotermalnom toplinom predgrijava pojna voda ispred generatora pare. Drugo rješenje koristi konvencionalno gorivo (ili biomasu) za pregrijavanje pare prije ulaska u turbinu. Za ekonomičnost geotermalne elektrane iznimno je važna dugotrajna iskoristivost nalazišta. Stečena iskustva i proučavanje pokazuju da se može računati na 50 do 100 godina ekploatacije. Cijena korištenja se smanjuje i blizu je konkurentnosti fosilnim gorivima (4-8 €c/kWh) dijelom i standardizacijom i modularnošću korištene opreme.

Org

ansk

a pa

ra

Organska tekućina

100

Slika 6.7. Unaprijeđeni prijenos topline sa mješavinom vode i drugog medija 6.4. Zaključno Sastav vode/pare koja dolazi iz geotermalnog nalazišta zasićen je agresivnim plinovima i tvarima koje stvaraju naslage na dijelovima postrojenja i potencijalno predstavlja prijetnju okolišu. Razvoj tehnologije smanjuje cijenu rješavanja navedenih problema, a primjena zatvorenog ciklusa čuva okoliš. Važan uvjet za to je vračanje iskorištenog medija u nalazište. Ukoliko se sve opasne tvari vrate u nalazište ili na drugi način zbrinu jedini problem po okoliš ostaju staklenički plinovi. To se primarno odnosi na CO2, metan i slično. Ispuštanja CO2 su skoro 10 puta manja u odnosu na konvencionalnu termoelektranu na ugljen (100 kg CO2/MWh). Metan i drugi slični plinovi se mogu koristiti ili spaljivati. Prema svemu izgleda da je geotermalna energija obnovljivi izvor koji nema problema sa nestalnošću. Ograničenje predstavlja činjenica da se može koristiti samo na mjestu gdje je nalazište. Ovo je veliki problem za direktno korištenje i potencijalno problem za mjesta koja nisu u blizini el. en. mreže. Trenutna razina korištenja geotermalne energije u raskoraku je sa potencijalom. Glavna prepreka je u relativno velikim kapitalnim ulaganjima (istraživanje nalazišta košta i preko 20% investicije). Za pretpostaviti je da će daljnje poskupljenje fosilnih goriva i nastojanje da se smanje ukupne emisije stakleničkih plinova povećati korištenje geotermalne energije. Zemlja poput Hrvatske sigurno ne može riješiti pitanje proizvodnje el. en. korištenjem geotermalne energije, ali može potražiti mogućnost za dodatne ekonomske efekte posebno u direktnoj primjeni.

101

7. ENERGIJA POLOŽAJA VODE Energija položaja vode obnovljiva je zahvaljujući Sunčevoj energiji koja neprestano održava hidrološki ciklus. Uobičajeno je različito vrednovanje velikih i malih hidroelektrana kada je riječ o utjecaju na okoliš. Premda sveobuhvatna istraživanja nisu dostupna uvriježen je pogled da se korištenje energije položaja vode u malim postrojenjima smatra ekološki prihvatljivijim. No, i za velika postrojenja se smatra da je njihov višestruki negativni utjecaj na okoliš nadomještava doprinos smanjenju emisije stakleničkog plina CO2. Ovo poglavlje u nastavku opisuje prirodu i resurse energije položaja vode kako u svijetu tako i u Republici Hrvatskoj. Opisano je stanje i trend korištenja malih hidroelektrane (MHE). Potom su iznesene glavne značajke za MHE. Na kraju je dan opis češće korištenih vodnih turbina i generatora s napomenama o načinu priključivanja MHE na el. en. mrežu.

7.1. Hidroenergetski resursi Količina vode i iskoristiv pad određuju potencijal za korištenje energije položaja vode. Padaline i tlo (konfiguracija i sastav) određuju obje značajke. Uobičajeno je za neki vodotok prikazivati srednju vrijednost protoka u ovisnosti o nadmorskoj visini (tzv. Q-H dijagram). Za neku konkretnu lokaciju od značaja je poznavati vjerojatno trajanje određenog protoka vode i iskoristivi pad. Krivulja trajanja protoka nastaje iz mjerenja ili iz procjene. Samo dugotrajna mjerenja protoka mogu dati pouzdane podatke zbog velike varijabilnosti uslijed uobičajenih klimatskih varijacija. Slika 7.1 ilustrira krivulju protoka i krivulju trajanja protoka.

Slika 7.1 Krivulja protoka kroz godinu i krivulja trajanja protoka

Poznavanjem ili procjenom trajanja protoka i iskoristivih padova moguće je procijeniti hidroenergetske resurse. Uobičajeno se HE resursi dijele na ukupni (teorijski), tehnički i ekonomski iskoristive. Tehnički potencijal je nekoliko puta (npr. 3x) manji od ukupnog i nešto veći (npr. 30%) od ekonomskog. Konačnu

QQ –– kkrriivvuulljjaa pprroottookkaa

QT – krivulja trajanja protoka

102

iskoristivost određuju ekološki, ekonomski i društveni faktori zbog kojih danas gotovo da više i nema daljnjeg korištenja HE u velikim postrojenjima razvijenih zemalja. Slika 7.2 ilustrira veliku varijabilnost protoka rijeke tijekom godine i još veču kroz više godina. Ovisno o vremenu topljenja snijega kod nižih planinskih područja vršni protok se pojavljuje tijekom prolječa, a kod viših tijekom ljeta. Varijabilnost protoka ima značajan utjecaj na mogučnost proizvodnje el. en. i ekonomičnost postrojenja. Posebno kada je mogučnost akumuliranja vode mala kao kod MHE.

Slika 7.2 Promjene srednjih mjesečnih protoka kroz više godina – primjer Rockenau/Neckar (lijevo) i Maxau/Rhine (desno) iz [35]

Ukupni tehnički potencijal (u TWh) je najveći za Aziju (6940), a za ostale kontinente: Južna Amerika 2800, Afriku 1810, Sjeverna i Srednja Amerika 1815, Europa 1210 te Australoazija i Oceanija 310 TWh. Iskorištenost potencijala je najveća (u TWh) apsolutno u Aziji (810), a relativno u Europi (625) i Sj. i Sr. Americi (760). Južna Amerika koristi 510 TWh, Autrolazija i Oceanija koriste 105 TWh, a Afrika 120 TWh (relativno najmanje), [8].12 Ukupno se u svijetu godišnje proizvodi skoro 3000 TWh električne energije iz preko 1000 GW HE. To predstavlja skoro 20% ukupne proizvodnje el. en. Samo pet zemalja pored Hrvatske proizvodi oko 50%13 ili više el. en. iz HE.

12 Varijabilnost proizvodnje iz HE je ovdje zanemarena. 13 To su Norveška 99%, Brazil 83%, Venezuela 71%, Kanada 57% i Švedska 40% (za HR to je postotak vlastite proizvodnje bez uvoza).

103

Hrvatska je imala 2006. instalirano preko 50% kapaciteta za proizvodnju električne energije u hidroelektranama (2056 MW, prema [36]) iz kojih se proizvodi godišnje oko 6±1 TWh ovisno o hidrologiji. Male HE se definiraju prema snazi i do 25 MW. Sve više prihvaćena granica je 10 MW14. Prema podatcima za 2005. u svijetu je instalirano oko 66300 MW15 malih HE. Male HE proizvode ukupno skoro 2% el. en. (najviše od svih tzv. novih obnovljivih). Od svih instaliranih MHE preko 20% je izgrađeno u EU – 17400 jedinica, a oko 60% u Aziji. Smatra se da je u EU iskorišteno oko 60% ekonomski isplativih resursa. Hrvatska ima u pogonu 15 MHE ukupne snage 24 MW što predstavlja oko 15% procijenjenih ekonomski isplativih resursa. Samo 4,083 MW u MHE nije u sastavu HEP grupe (četiri MHE snage od 1,64 MW Roški Slap do 8 kW Čabranka [36]).

14 Postoje i dodatne podjele za najniže snage, npr.: nekoliko, desetak ili 100 kW – piko, mikro i mini HE. No, npr. u Švicarskoj je sve ispod 300 kW mala HE 15 Oko 80% MHE u EU je između 1 i 10 MW snage.

104

7.2. Snaga i energija HE Osnovna razmatranja vezana za snagu i energiju HE se ne mijenjaju s veličinom postrojenja. Snaga i energija koju nosi sa sobom promjena položaja vodene mase može se izraziti preko Bernoullijeve jednadžbe za jednodimenzionalno stacionarno strujanje bez vrtloženja uključujući trenje preko iznosa gubitaka. Često se u hidromehanici koristi Bernoullijev izraz u kome su svi elementi izraženi preko visina:

[ ]m .2

2

konsthg

chgp

r =+++ρ

(7.1)

gdje je: gubitaka. a visinhen.), (kin. brzine visina

2g

visina,geodetskah tlaka, visina

r

2cgpρ

Praktično je sve gubitke prikazati kroz gubitke visine ili stupanj djelovanja. Energija vode ovisi o promjeni položaja i o djelotvornosti pretvorbe. Posebno je zanimljiv izraz za energiju (i snagu) koji sadrži protok vode. Izraz 7.2 prikazuje energiju promjene položaja vode iz kojeg se može odrediti raspoloživa snaga u funkciji protoka i neto pada (visine, izraz 7.3).

ghdtAvmghWt

∫==0

ρ (7.2)

ghQAvQghAvdt

dWP ρρ ===== (7.3)

Znamo li stupanj djelovanja za neku HE pri određenom protoku i neto visini možemo izračunati njenu snagu:

][81,9 kWQhQhgP uu ηηρ == (7.4) Važno je naglasiti ovisnost neto visine o protoku obzirom na profil ispred i iza zahvata HE te ovisno o biološkom minimumu i preljevu. Slika 7.3 ilustrira krivulju trajanja snage HE u ovisnosti o protoku kroz postrojenje, padu i ukupnom protoku. Slika uključuje i ovisnost stupnja djelovanja o protoku koji određuje produkt stupnjeva djelovanja vezanih za gubitke na zahvatu, dovodu i odvodu, te za gubitke u turbini. Najznačajniji gubitci u turbini ovise o vrsti turbine i to je u nastavku dodatno opisano. Snagu HE, kod pojedinog protoka, moguće je stoga precizno odrediti samo ako se poznaju navedene ovisnosti gubitaka o protoku. Računanje ukupne energije je prema tome integral snage kroz određeno vremensko razdoblje:

hdtQWt

∫=0

81,9 η (7.5)

Kod proračuna ukupne energije mogu se postavljati različita pojednostavljenja, kod kojih treba uzeti u obzir da je HE uvijek dimenzionirana za neku nazivnu snagu odnosno da ima instalirani određeni protok (točka nazivnih parametara u

105

ilustraciji dolje). Računanje snage i energije HE sa protokom koji premašuje instaliranu vrijednost daje krive rezultate.

Pro

tok

Q

Sna

ga P

, pad

h

Slika 7.3 Ilustracija krivulje trajanja snage u ovisnosti o protoku kroz postrojenje,

padu i ukupnom protoku

106

7.3. Hidroelektrane Korištenje energije položaja kao izvor mehaničke energije (za mlinove, navodnjavanje, pilane, kovačnice i drugo) poznato je stoljećima prije novog doba. Pred kraj 19. st. po prvi puta16 je korištena energija položaja vode za proizvodnju el. en. Može se reći da su male HE nakon 125 ponovo postale zanimljive. Mala HE može sadržavati sve elemente koje ima veliko postrojenje. Razlika je najveća u znatno manjoj potrebi za ekstenzivnim hidrološkim i topološkim studijama te u relativno malom obimu potrebnih građevinskih radova. Ovo posebice vrijedi za male protočne HE, ali značajno je i kod rješenja s akumulacijom. Razlog navedenih razlika dijelom je u manjem korištenju protoka, a dijelom i u mogućnosti primjene inovativnih fleksibilnih rješenja. Primjerice dovodni kanal se može probušiti kroz zemlju, a prepreka u vodotoku može biti gumena i adaptivna za razne protoke. Slika 7.4. ilustrira raznolikost mogućnosti izvedbi malih HE.

Slika 7.4. Moguće izvedbe malih HE

Za sve izvedbe potrebni su zahvat, dovod, postrojenje i odvod. Ovisno o specifičnosti izvedbe potrebna je pregrada (brana), vodna komora, tlačni cjevovod, zaštita od hidrauličkog udara te zaustavni ventili. Postrojenje se uvijek sastoji od turbine,

16 Prve HE: Bavarska 1876., Brazil 1Sj. Irska 1883 (39 kWe za el. vlak),

107

generatora el. en., rasklopnog postrojenja te sustava kontrole, zaštite i nadzora cijele MHE. Pregrada ili brana za MHE se najčešće izvodi tako da osigura minimalni utjecaj na tok vode i život u njoj. Zanimljiva su tzv. kombinirana rješenja od gume i sl. gdje se veličina pregrade mijenja količinom napuhanog zraka ili vode. Sva rješenja brana trebaju imati posebno izvedene mogućnosti reguliranja preljeva i čišćenja nakupina sitnih i krupnih naslaga na rešetkama kod zahvata vode. Kod izvedbi gdje se ne održava konstantan pad pregrade se mogu izvesti bez pokretnih dijelova. MHE mogu biti izvedene (ovisno o padu) kao nisko (do 20 m), visoko tlačne (preko 100 m) i srednje (između). Prema tome kako su postavljene u odnosu na riječni tok MHE mogu biti protoče i derivacijske. Ova podjela je identična kao i za velike HE.

Određivanje gubitaka dovoda Na putu od zahvata do turbine potencijalna energija vode dijelom se izgubi uslijed nepovratljivih procesa. Za strujanje u kanalu ili cijevi vrijedi Bernoullijeva jednadžba preko koje se mogu izraziti gubitci. Kod primjena se koristi praktičan Darcy-Weisbach izraz koji prikazuje gubitke pada u ovisnosti o duljini i promjeru dovoda, brzini protoka i faktoru f :

gv

Dlfhg 2

2

= (7.6)

Gubitci se određuju tako da za određeni dovod znamo brzinu protjecanja vode i faktor f17. Ovaj faktor se može izračunavati prema podatcima proizvođača i karakteristikama izvedbe cijevi ili kanala u ovisnosti o brzini protoka.

Pomoćne MHE Postrojenja za proizvodnju el. en. koja se ugrađuju npr. u vodovodne ili kanalizacijske sustave naziva se pomočnim MHE. Tu se mogu ubrojiti i postrojenja ugrađena u sustave za regulaciju vode kod obrane od poplava ili u pomočnim odvodima kod derivacijskih HE.

17 Kod Darcy-Weisbach izraza za gubitak tlaka (množenje gornjeg izraza sa g/ρ) f je koeficijent za laminarni ili turbulentni protok. Kakav je protok određuje Reynoldsov broj (omjer brzine, promjera cijevi i gustoće s koeficijentom viskoziteta). Protok je laminaran sve dok Reynoldsova broj ima vrijednost ispod 2000, kod vrijednosti iznad 3000 protok je turbulentan, a između nestabilan.

108

7.4. Turbina i generator male HE Turbina i generator predstavljaju dvije najvažnije aktivne komponente HE. Principi djelovanja i izbor turbine i generatora slični su kao i za velike HE. Značajna je razlika u tom što se za MHE turbine i generatori ne proizvode posebno za svaku izvedbu. Za MHE postoji veliki izbor gotovih vrsta i veličina turbina i generatora.

7.4.1. Turbina Voda u pokretu prolaskom kroz turbinu prenosi mehaničku energiju na osovinu. Ovisno o uvjetima koji vladaju oko lopatica turbine postoji veliki broj različitih izvedbi da bi se postigla efikasnija pretvorba energije. Najpoznatije turbine kod velikih postrojenja su Pelton, Francis i Kaplan. Za mala postrojenja postoji veliki broj dodatnih izvedbi od kojih je poznatija Michel-Banki (s poprečnim tokom). Turbine za MHE se rade serijski, a postoje i primjene s pumpama zbog ekonomičnosti. Razlika turbina u principu djelovanja odražava se na optimalni raspon protoka i padova za stupanj djelovanja. Slika 7.5. prikazuje područje primjene različitih vrsta turbina prema protoku i padu. Uočljivo je da poznate vrste turbina pokrivaju područje primjene za velika i mala postrojenja. Turbine s poprečnim protokom i Turgo pokrivaju područje padova i protoka za male HE (isto vrijedi i za veliki broj različitih vrsta turbina koje nisu prikazane na slici).

Slika 7.5. Područje primjene različitih vrsta turbina – prema protoku i padu

Za velike padove najprimjerenija je Pelton turbina (kod MHE od 20 m). Kod srednje velikih padova primjerena je Francis turbina (od 3 do 600 m). Na malim padovima i za veće protoke najbolje je koristiti Kaplan turbinu (za vertikalnu izvedbu od 10 do 60 m, a za horizontalnu od 2 do 20 m). Turbina s poprečnim protokom (Michel-Banki) se koristi

109

kod padova od 1 do 200 m. Vidljivo je da se područja primjene uvelike preklapaju te se odluka o izboru temelji na ekonomskim i drugim tehničkim parametrima. Svaka turbina ima maksimalan stupanj djelovanja pri instaliranom protoku (ili u blizini). Ovisno o vrsti turbine stupanj djelovanja se manje ili više smanjuje sa smanjivanjem protoka vode. Slika 7.6. prikazuje promjenu stupnja djelovanja za odabrane turbine. Vidljivo je da Kaplan i Pelton turbine imaju stupanj djelovanja koji je dobar i stabilan u velikom rasponu protoka. Ovakva karakteristika ima svoju cijenu.

Slika 7.6. Promjena stupnja djelovanja turbina u ovisnosti o protoku vode

Brzina vrtnje turbine opčenito je ovisna najprije o izvedbi, a potom o padu i protoku vode. Vezu između specifičnog broja okretaja ns jedinične18 modelne turbine i broja okretaja turbine koja ima protok Q i pad H prikazuje izraz 7.7.

4/3

2/1

HQnns = (7.7)

Za Pelton turbinu specifični broj okretaja ide do 30, Francis ima ns od 20 do 120, kod Kaplan (vertikalne) to je od 180 do 260 i za Michel-Banki specifični broj okretaja ide od 30 do 210. Michel-Banki turbina ima posebnu izvedbu dotoka i lopatica da može raditi na trećini i na dvije trećine protoka s karakteristikom efikasnosti kao da radi na nazivnom protoku. Na slici 7.5 je to ilustrirano s Qo/3 i 2Qo/3 krivuljama efikasnosti. Time se za turbinu s poprečnim protokom postiže optimalan stupanj djelovanja kroz cijeli opseg protoka vode: voda ide preko cijele turbine kada je protok veći od 2/3 nazivnoga, za protoke ispod trećine nazivnog voda ide samo preko odvojenog dijela trećine presjeka turbine i na kraju za

18 Jedinična modelna turbina ima protok od 1 m3/s na padu od 1m.

2Q/3

Q/3

Q

110

protoke između voda se usmjerava na drugi dvotrećinski dio presjeka turbine. Pelton turbinu odlikuje rad sa slobodnim mlazom vode (akcija energije položaja vode pretvorena u konetičku energiju) pri približno atmosferskom tlaku. Kod izvedbi s više mlazova situacija s tlakovima je nešto složenija. Male Pelton turbine mogu raditi ekonomično već i s protocima od 30 l/s uz pad od 20 m. Da bi se smanjilo aksijalne sile kod većine modernijih izvedbi lopatice turbine su oblikovane tako da razdvajaju mlaz. Za optimiranje efikasnosti i osiguravanje slobodnog otjecanja vode nakon lopatica potrebno je osigurati ispunjavanje Masonyieva kriterija da omjer promjera lopatica (D) bude 10 puta veći od promjera mlaza (a). Kod promjene opterećenja ili potrebe za naglim zaustavljanjem turbine potrebno je zaustaviti ili preusmjeriti mlaz od lopatica. Promjena smjera mlaza vode je bolje rješenje jer naglo zaustavljanje protoka može izazvati tzv. vodni udar. Ponekad se primjenjuje i protumlaz kao vodna kočnica. Jednostavnost izvedbe i pristupa osigurava lagano održavanje Pelton turbine.

Francis turbina se može instalirati horizontalno ili vertikalno. Horizontalna izvedba ima prednost zbog spajanja s generatorom. Vertikalna izvedba je skuplja jer zahtijeva veći prostor, ima veću ukupnu masu postrojenja i dodatno je složenija za održavanje. Francis turbina ima niz nedostataka u odnosu na Pelton izvedbu: osjetljivija je na problem kavitacije i na nečistoće u vodi; efikasnost značajno opada kod manjeg protoka od nazivnog (ovisno o izvedbi već kod 50% instaliranog protoka pada blizu 0,6); pogon nije stabilan kod protoka manjeg od 40% instaliranoga; brzo zatvaranje protoka izaziva veći vodni udar te je potrebno bolje dimenzionirati dovodnu cijev; kompleksnija izvedba i kontrola zahtijevju složeno održavanje. Prednost Francis turbine u odnosu na Pelton je u iskorištavanju kompletnog pada. Iskustveni podatci o brzini okretanja Francis turbine za padove od 10 do 50 m su između 900 i 1200 min-1, a za veće padove i do 1500 min-1.

Kaplan turbina se koristi za male padove ili za protočne HE. Prednost Kaplan turbine prema drugim sličnim izvedbama za male padove (npr. bulb, propeler, S i Straflo) je u manjoj cijeni i u pozicioniranju elektromehaničkog dijela izvan vode (lakše održavanje i sigurnije kod poplavljanja). Utjecaj na okoliš izvedbi s Kaplan turbinom je manji

D

a

111

zbog nepostojanja akumulacije i manjeg zauzimanja prostora. Ovisno o protoku (reguliran ili varijabilan) postoje izvedbe sa fiksnim i pomičnim krilcima lopatica rotora (veća efikasnost). Dvostruka regulacija osigurava dobar stupanj djelovanja za veliki rasopn protoka (do 30% instaliranog protoka).

Michel-Banki turbina (crossflow – poprečna; s radialnim potiskom) za razliku od ostalih ima primjenu samo kod MHE (do 0,8 MW). Kod primjene protoci se kreću između 25 i 700 l/s. Rotor se dijeli na 26 do 30 pregrada ovisno o promjeru (od 0,2 do 0,6 m). Turbina se instalira sa slobodnim otjecanjem vode ili sa nastavkom (difuzor) za korištenje cijelog pada. Posebnost podjele rotora na 1/3 i 2/3 za efikasnije korištenje manjih protoka od nazivnoga je već prije spomenuta (slika na prethodnim stranicama). Varijabilni kapacitet protoka osigurava rad i na 20% instaliranog protoka. Ovo je važno za veliki broj potencijalnih lokacija za vrlo male HE s jako promjenjivim protokom. Dodatna prednost Michel-Banki turbine je brzo sastavljanje, manji zahtjevi na izvedbu postrojenja (građevinski radovi) i lagan pristup svim dijelovima za održavanje. Vodno kolo povezano je s najstarijim načinom korištenja energije položaja vode. Zanimljivo je da i danas vodno kolo ima veliki broj prednosti kod vrlo malih HE. Najprije vrlo je veliki broj lokacija koje imaju relativno mali pad i umjerenu snagu (<5 m, do 75 kW). Potom, vodno kolo predstavlja dobar kompromis između proizvodnje i očuvanja okoliša. Pogon je neometan prljavštinama u vodi. Tijekom rada se ostvaruje samoregulacija momenta promjenom količine zahvaćene količine vode. Nedostatak vodnog kola je mala kutna brzina (do 8 min-1) koja zahtjeva multiplikator brzine (prijenos ili remen) prema generatoru (~1:20) što izaziva dodatne gubitke. Pokraj toga potreba za reguliranjem brzine komplicira veliku jednostavnost izvedbu. Osnovne izvedbe vodnog kola su povezane s mjestom gdje se prihvaća voda. Kod gornjeg prihvaćanja vode pad mora biti barem jednak promjeru kola. Snaga se prema tome može izraziti korištenjem izraza (2.4). Stupanj djelovanja je oko 60% (dostiže i do 80%), a pad određuje razlika visine vode ispred i iza vodnog kola. Slično se razmatranje može provesti i za izvedbe s donjim prihvatom vode. Vodna kola se mogi koristiti za izvedbe koje imaju pad do 10 m i protoke do 2 m3/s. Vodne pumpe kao turbine za vrlo male HE dosta se često primjenjuju. Osnovni razlog tome je u činjenici da su vrlo jeftine (masovna proizvodnja) i lako se nabavljaju s velikim varijacijama karakteristika. Njihov nedostatak je u manjoj efikasnosti i većoj osjetljivosti na kavitaciju i radni raspon. Glavni problem predstavlja nemogućnost kontrole protoka. Primjena je stoga najjednostavnija s konstantnim protokom. Uvjete promjenjivog protoka je moguće rješavati na različite načine, npr.: dodatna manja pumpa, ili elektronska kontrola (tereta).

112

7.4.2. Generator Rješenja MHE za samostalni rad moraju imati sinkroni generator što poskupljuje izvedbu. Male HE koje su priključene na mrežu najčešće koriste jednostavni asinkroni generator. Izvedbe vrlo malih snaga (ispod 100 kVA) se priključuju na niskonaponsku mrežu (0,4 kV), a za veće snage se radi priključak na srednjenaponsku mrežu (10/20 kV). Potrebno je osigurati faktor snage iznad 0,9. Treba voditi računa o strujama kratkog spoja, prenaponskoj zaštiti, zaštiti od napona dodira i ponovnom automatskom uključivanju. Sve izvedbe trebaju imati nadstrujnu, podnaponsku i zaštitu od kratkog spoja. Za snage iznad 0,25 MVA treba dodati i zaštite generatora od zemnog spoja i povratne snage (sinkroni generator). Mjerenje el. en. (radne i jalove u oba smjera) i brojnih drugih veličina obvezno je i potrebno za dobar i autonoman rad male HE.

7.5. Zaključno Kod dimenzioniranja male HE (posebice turbine i generatora) važno je paziti na ekonomičan odabir. To je moguće napraviti samo kada se poznaje krivulja trajanja iskoristivog protoka, krivulju ovisnosti pada o protoku, gubitke na dovodu u funkciji protoka, ovisnost efikasnosti turbine o protoku, obim građevinskih radova, mogućnost iskorištavanja proizvedene el. en. (otočni rad ili ograničenje povezanosti sa mrežom). Investicijski troškovi ovise o lokaciji i nazivnoj snazi: za snage ispod 200 kW iznose oko 9000€/kW, a za snage oko 1 MW oko 5000€/kW. Kod obnavljanja i moderniziranja cijene su višestruko niže. Djelomično kao i s velikim HE prepreku većem korištenju MHE predstavlja otpor javnosti zbog brige za okoliš. Ovaj otpor je proporcionalan razvijenosti društva. Posebno pitanje su ribe u vodotoku te je za njih potrebno osigurati dovoljan slobodan protok ili povezanost vodotoka ispred i iza pregrade. Dobrim rješenjima MHE mogu dijelom smanjiti potrebu za fosilnim gorivima, a integriranim pristupom pomoći kod navodnjavanja i zaštite od poplava. Male HE mogu pozitivno djelovati na sigurnost i pouzdanost opskrbe el. en. u radu na mreži. Slabe naponske prilike se mogu poboljšati na krajevima mreže. Moguć je i negativan utjecaj na kvalitetu napona (izobličenja). Važno je paziti na koordinaciju zaštite i činjenicu da distribucija sada ima i izvor. Malim HE je moguće riješiti napajanje udaljenih lokacija od mreže. Problem predstavlja varijabilnost dostupnih protoka jer su akumulacije vrlo male ili ih uopće nema. Ukupno MHE ne predstavljaju veliki potencijal, ali to je obnovljiv potencijal, moguće je koristiti vlastita rješenja i dijelom smanjiti ovisnost o uvozu el. en.

113

Literatura: [1] Damir Šljivac, Zdenko Šimić: „Osnove energetike i ekologije“, „Dopunski izvori energije“,

predavanja, ETF Osijek, 2004. – 2007. godine [2] Lajos Jozsa: Energetski procesi i elektrane, udžbenik ETF Osijek, 2006. godine [3] Božidar Udovičić: Energetika, Školska knjiga, Zagreb, 1993. [4] Marijan Kalea: Nekonvencionalni izvori energije, predavanje, ETF Osijek, 2006. godine [5] Ranko Goić: «Opća energetika», predavanja, FESB Split, 2006. [6] European Commission, Directorate-General for Energy and Transport: „COM 2001/77/EC:

Directive on Electricity Production from Renewable Energy Sources” [7] EUrObserver ER 2006, EUrObserver ER 2007 [8] EU RES Export Masterplan 2002 [9] http://data.ecmwf.int/data [10] http://www.inhabitat.com [11] http://www.volker-quaschning.de/articles [12] http://www.wbdg.org [13] http://www.q-solar.com [14] Dizdarević, N., Majstorović, M., Žutobradić, S., "Pogon vjetroelektrana", HK CIGRE, Cavtat,

2003., C6-23 [15] Utjecaj vjetroelektrane na naponske i strujne prilike u elektroenergetskoj mreži, Energetski

institut „Hrvoje Požar“, Zagreb, veljača 2003 [16] Gjengedal, T., Henriksen, M., "Large scale integration of wind power and the impact on

power systems", CIGRE, Paris, 2004., C1-206, [17] Jenkins, N., Allan, R., Crossley, P., Kirschen, D., Strbac, G., "Embedded generation", The

Institution of Electrical Engineers, London, 2000. [18] Udovičić, B., "Energija i izvori energije", Građevinska knjiga, Beograd, 1988. [19] Energija i tehnologija d.o.o.- kogeneracijsko postrojenje na biomasu – sustav Eniteh,

www.eniteh.hr [20] Svjetska organizacija biodizela, http://www.nationalbiodieselboard.org/resources/ ili

http://www.biodiesel.org [21] www.greenenergy.hu/ime/publikacio/phare/Pichler.htm [22] M., Kaltschmitt, Evaluierung der Möglichkeit zur Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz,

Institut für Energetik und Umwelt, Projektnummer 323 20002, 2005. [23] Cataldi, R., Geothermal energy development in Europe to year 2020: prospects or hopes?

Technica Poszukiwan Geologiczncyhc, 4-5, 1999, 48-59. [24] Stefansson, V., Global perspective on geothermal energy. Submitted to IEEE, 2002. [25] Igor Raguzin, Domagoj Validžić,Ivan Kezele: „Novi propisi za obnovljive izvore energije“,

časopis EGE, 2/2007. [26] Zakon o energiji, Narodne novine 68/01, Zagreb, 2001. [27] Zakon o tržištu električne energije, Narodne novine 68/01, Zagreb, 2001. [28] Strategija energetskog razvitka Republike Hrvatske (NN 38/2002) [29] Nacionalna strategija zaštite okoliša (NN 46/2002), [30] Uredba o minimalnom udjelu električne energije proizvedene iz obnovljivih izvora energije i

kogeneracije čija se proizvodnja potiče (NN 33/2007) [31] Tarifni sustav za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije

(NN 33/2007) [32] Pravilnik o korištenju obnovljivih izvora energije i kogeneracije (NN 33/2007) [33] Uredba o naknadama za poticanje proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora i

kogeneracije (NN 33/2007) [34] Nacionalni energetski programi, Uvodna knjiga, Energetski institut "Hrvoje Požar", Zagreb,

1998. [35] M. Kaltschmitt, W. Streicher, A. Wiese, Renewable Energi – Technology, Economics and

Environment, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007 [36] EIHP, Energija u Hrvatskoj 2006, Ministarstvo gospodarstva, rada i poduzetništva 2007. [37] Wohletz, Kenneth, and Grant Heiken. Volcanology and Geothermal Energy. Berkeley:

University of California Press, 1992. http://ark.cdlib.org/ark:/13030/ft6v19p151/

http://ark.cdlib.org/ark:/13030/ft6v19p151/�

114

[38] Clean Energy Project Analysis: RETScreen Engineering & Cases, Natural Resources Canada, 2005

[39] N. Dizdarević, M. Majstorović, S. Žutobradić, Distribuirana proizvodnja električne energije, Energija br. 5, str. 321-339, 2003.

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

Obnovljivi Izvori Energije_dio I

Documents

Transcript of Obnovljivi Izvori Energije_dio I