GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava...
Transcript of GORAN HORVAT - mathos.unios.hrmdjumic/uploads/diplomski/HOR32.pdf · Termodinamika prou čava...
SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU
ODJEL ZA FIZIKU
GORAN HORVAT
OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE
Završni rad
Osijek, 2015.
ii
SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU
ODJEL ZA FIZIKU
GORAN HORVAT
OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE
Završni rad
Predložen Odjelu za fiziku Sveučilišta Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku
radi stjecanja zvanja prvostupnika fizike
Osijek, 2015.
iii
Ovaj završni rad je izrađen u Osijeku pod vodstvom prof.dr.sc. Branka Vukovića u sklopu
Sveučilišnog preddiplomskog studija fizike na Odjelu za fiziku Sveučilišta Josipa Jurja
Strossmayera u Osijeku.
iv
Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku Završni rad
Odjel za fiziku
OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE
GORAN HORVAT
Sažetak
Proizvodnja energije jedan je od najvažnijih znanstvenih, tehnoloških, gospodarskih i
političkih problema današnjega svijeta. Većina proizvedene energije danas dolazi iz
neobnovljivih izvora – fosilnih goriva (ugljena, nafte i zemnog plina) i nuklearnih goriva.
Međutim, zbog globalnog zatopljenja i ostalih ekoloških problema uzrokovanih primjenom
neobnovljivih izvora energije te sve bržeg smanjivanja rezervi fosilnih goriva, koje uzrokuje
porast cijena nafte i zemnog plina, sve više se prelazi na obnovljive izvore energije. Obnovljivi
izvori energije su oni izvori koji ne mogu biti potrošeni jer se stalno prirodno obnavljaju, a
njihovo korištenje općenito je manje štetno po okoliš. U obnovljive izvore energije ubrajamo
vodne snage (energija vodotokova, morskih struja i valova, plime i oseke), energiju biomase,
energiju Sunčevog zračenja, energiju vjetra i geotermalnu energiju. U ovom radu bit će opisana
svojstva obnovljivih izvora energije i najvažnije tehnologije primjene energije iz obnovljivih
izvora s njihovim prednostima i manama. Pokazat će se da tehnologija primjene obnovljivih
izvora energije nudi velike mogućnosti razvoja.
( 40 stranica, 20 slika, 1 tablica, 81 literaturni navod)
Rad je pohranjen u knjižnici Odjela za fiziku.
Klju čne riječi: energija, obnovljivi izvori energije, hidroenergija, biomasa, solarna energija,
energija vjetra, geotermalna energija
Mentor: prof.dr.sc. Branko Vuković
Ocjenjivači: prof.dr.sc. Branko Vuković
Rad prihvaćen:
v
University Josip Juraj Strossmayer Osijek Bachelor of Physics Thesis
Department of Physics
RENEWABLE ENERGY SOURCES
GORAN HORVAT
Abstract
Energy production is one of the most important scientific, technological, economic and
political subjects of today's world. Majority of energy produced today comes from non-
renewable sources – fossil fuels (coal, oil and natural gas) and nuclear fuels. However, due to
global warming and other environmental problems caused by use of non-renewable energy
sources and increasingly fast lessening of fossil fuels reserves, resulting in rise of oil and gas
prices, renewable sources are increasingly used. Renewable energy sources are sources which
are unexhaustable because they are continuously naturally replenished. Their use is generally
less harmful to the environment. Renewable energy sources include hydro energy (energy of
watercourses, sea currents and waves and tides and ebbs), biomass energy, solar energy, wind
energy and geothermal energy. In this thesis properties of renewable energy sources have been
described, as well as main technologies of their use with their advantages and disadvantages. It
has been shown that renewable energy sources technology has many possibilities of
improvement.
( 40 pages, 20 figures, 1 table, 81 references)
Thesis deposited in Department of Physics library
Keywords: energy, renewable energy sources, hydro energy, biomass, solar energy, wind
energy, geothermal energy
Supervisor: Branko Vuković, Ph.D.
Reviewers: Branko Vuković, Ph.D.
Thesis accepted:
vi
SADRŽAJ
1.UVOD .......................................................................................................................................... 1
2.ENERGIJA I ENERGETIKA ...................................................................................................... 2
2.1. Osnovni fizikalni pojmovi ....................................................................................................... 2
2.2. Energija kao gospodarski i politički pojam .............................................................................. 5
2.3. Osnovni izvori energije ............................................................................................................ 6
2.4. Klasifikacija izvora energije ..................................................................................................... 7
2.5. Potrošnja energije .................................................................................................................. 11
3. VODNE SNAGE ....................................................................................................................... 12
4. BIOMASA ................................................................................................................................ 17
5. ENERGIJA SUNČEVOG ZRAČENJA.................................................................................... 22
6. ENERGIJA VJETRA ................................................................................................................ 29
7. GEOTERMALNA ENERGIJA ................................................................................................ 33
8. ZAKLJUČAK ........................................................................................................................... 37
9. LITERATURA .......................................................................................................................... 38
ŽIVOTOPIS .................................................................................................................................. 40
1. UVOD
Energija je fizikalna veličina koja označava sposobnost tijela ili sustava da obavi rad ili preda
toplinu. Sva živa bića trebaju energiju – biljke koriste energiju Sunčevog zračenja, a životinje
kemijsku energiju hrane. Ljudi osim energije hrane koriste i druge izvore energije još od početka
korištenja vatre. S tehnološkim napretkom i rastom životnog standarda paralelno je rasla i
potrošnja energije. Suvremeni svijet koristi goleme količine energije za industriju, promet,
poslovanje, rad državnih institucija i potrošnju u kućanstvima. Sva ta energija dolazi iz raznih
prirodnih izvora. Izvori energije mogu se podijeliti na neobnovljive i obnovljive. U neobnovljive
izvore ubrajaju se fosilna goriva (ugljen, nafta i zemni plin) i nuklearna goriva (uran i torij).
Količina tih goriva na Zemlji je ograničena i ona bi mogla biti potrošena tijekom narednih
desetljeća ili stoljeća. Osim toga, korištenje neobnovljivih izvora energije uzrokuje velike štete
po prirodni okoliš. Gorenjem fosilnih goriva ispuštaju se velike količine otrovnih plinova, kao i
ugljični dioksid koji uzrokuje efekt staklenika i globalne klimatske promjene. Korištenje
nuklearnih goriva u nuklearnim elektranama donosi rizik od havarije s ispuštanjem radioaktivnih
materijala u okoliš i njihovim širenjem po cijelom svijetu, a i bez havarije se proizvodi
radioaktivni otpad. Zbog tih razloga sve se više prelazi na obnovljive izvore energije. U
obnovljive izvore ubrajaju se vodne snage, biomasa, solarna energija, vjetar i geotermalana
energija. Korištenje obnovljivih izvora je ekološki prihvatljivije, a njihove količine ne mogu biti
iscrpljene. Ipak, korištenje obnovljivih izvora, s izuzetkom velikih hidroelektrana, uglavnom je
ekonomski neisplativije. Isplativost se može povećati tehnološkim napretkom u području
iskorištavanja obnovljivih izvora, s obzirom da tehnologija nudi brojne mogućnosti razvoja. U
ovom radu prvo ću navesti osnovne činjenice o energiji i energetici, a zatim opisati svojstva
obnovljivih izvora energije i najčešće načine njihovog korištenja te njihove prednosti i
nedostatke.
2
2. ENERGIJA I ENERGETIKA
2.1. Osnovni fizikalni pojmovi
Energija je fizikalna veličina koja označava sposobnost sustava da obavi rad ili preda
toplinu. Mjerna jedinica za energiju je džul (oznaka : J). Rad i toplina imaju istu mjernu
jedinicu, tj. iste su dimenzije kao i energija. Da bismo razumjeli pojam energije, očito treba
definirati i pojmove rada i topline.
Rad se definira [3] kao svladavanje sile na nekom putu. Za neko tijelo kažemo da obavlja
mehanički rad W kada se ono giba po putu s (od točke 1 do točke 2) pod utjecajem sile F
koja djeluje u smjeru puta :
� = � � ���� ∙ ��
�
Rad je, dakle, skalarni produkt sile i puta. Sila i put su vektorske veličine, a rad skalarna. Rad
od jednog džula odgovara djelovanju sile od jednog njutna na putu od jednog metra. Pri tome
sila djeluje tako da tijelu povećava brzinu ili se suprotstavlja djelovanju sila koje djeluju
nasuprot gibanju (npr. trenja ili sile teže) ili oboje. Ovisno o prirodi sile, rad može ovisiti
samo o krajnjim točkama puta, a može ovisiti i o putanji kojom je tijelo došlo od početne do
krajnje točke. Sile čiji rad ne ovisi o putanji nazivamo konzervativnima. Primjeri
konzervativnih sila su gravitacijska, elektrostatska (Coulombova), magnetska (Lorentzova) i
elastična sila. Primjeri nekonzervativnih sila su trenje i otpor zraka.
Toplina je oblik energije koji prelazi s jednog tijela na drugo zbog razlike u njihovim
temperaturama. Grana fizike koja se bavi vezom između topline i drugih oblika energije zove
se termodinamika. Termodinamika proučava promjene energije sustava s okolinom.
Osnovni su zakoni termodinamike [4] :
1. „ Dovedemo li tijelu količinu topline Q, tijelo dijelom tu energiju utroši na promjenu
unutarnje energije, a dijelom na izvođenje rada.“
= ∆� + �
3
Ovo je u biti zakon očuvanja energije. Posljedica toga zakona jest da je nemoguće
konstruirati stroj koji ne bi primao nikakvu energiju od okoline, a predavao bi joj mehaničku
energiju, tj. perpetuum mobile prve vrste je nemoguć.
2. „ Nemoguć je proces u kojem bi jedini rezultat bila apsorpcija topline iz jednog izvora i
potpuno pretvaranje topline u rad.“
Iz ovog zakona proizlazi da nije moguće konstruirati stroj koji bi od jednog jedinog
spremnika oduzimao toplinu i pretvarao je, u kružnom procesu, u mehanički rad, tj.
perpetuum mobile druge vrste je nemoguć.
3. „ Pri apsolutnoj nuli nestaju razlike entropija između svih stanja nekog sustava u
unutarnjoj dinamičkoj ravnoteži.“
Termička energija tijela proizlazi iz gibanja čestica od kojih se sastoji: kaotičnog
(Brownovog) gibanja kod fluida i titranja oko ravnotežnog položaja kod čvrstih tvari. Sadržaj
toplinske energije nekog sustava dan je temperaturom, koja je proporcionalna srednjoj
kinetičkoj energiji molekula u sustavu. Kada su dva tijela različitih temperatura u kontaktu,
toplina spontano prelazi s toplijeg na hladnije tijelo. Termodinamički rad obavljen pri
promjeni tlaka p i volumena V neke tvari iznosi � = � �� .
U proizvodnji i uporabi energije služimo se sustavima za pretvorbu energije. Sustav za
pretvorbu energije je (prema [2]) postrojenje odijeljeno od okoline u kojem se odvija
energetska pretvorba. Odvajanje sustava od okoline radi se putem stvarnih ili zamišljenih
granica. S obzirom na propusnost njihovih granica sustavi se dijele na zatvorene i otvorene.
Zatvoreni sustav je onaj preko čijih granica nema razmjene mase, tj. toka radnog medija, već
postoji samo razmjena energije. Kod otvorenih sustava postoji razmjena i mase i energije s
okolinom. Sustavi kod kojih je razmjena energije s okolinom moguća samo putem rada,
dakle bez izmjene topline, zovu se adijabatski sustavi. Adijabatski sustavi mogu biti
zatvoreni ili otvoreni. S obzirom na unutarnja svojstva, sustavi za pretvorbu energije dijele se
na homogene i heterogene. Kod homogenih sustava kemijski sastav i fizičke osobine su u
sustavu svugdje jednake. Heterogeni sustavi sastoje se od više homogenih područja, tzv.
faza. Na granicama faza osobine se mijenjaju skokovito.
Za opis pretvorbi energije potrebno je definirati bezdimenzijske parametre koje nazivamo
stupnjevima djelovanja. Definiramo ih pomoću veličina eksergije (E), anergije (B) i energije
gubitaka (Eg) [2]. Eksergija (E) je dio ukupno dovedene energije koji se može pretvoriti u
4
bilo koji drugi oblik energije ili vršiti rad. Anergija (B) je energija koja se ne može korisno
upotrijebiti, tj. ne može vršiti rad. Energija dovedena sustavu iznosi E+B, a odvedena
energija E - Eg. Termički stupanj djelovanja energetske pretvorbe je mjera sposobnosti
pretvorbe energije u korisni rad i iznosi : � = �������
Maksmalni stupanj djelovanja energetske pretvorbe mjeri dio dovedene energije koji se može
korisno upotrijebiti i iznosi : � = ����
Eksergijski (tehnički) stupanj djelovanja mjeri korisnost tehničkog procesa i iznosi :
� = �����
Uz pojam energije usko je vezan pojam snage. Snaga je fizikalna veličina koja mjeri
brzinu transformacije energije iz jednog oblika u drugi. � = ����
U slučaju mehaničkog rada (gibanja tijela po nekom putu) razvija se snaga [3] :
� = � � ∙ ! = � ∙
� = � ∙ "
Mjerna jedinica za snagu je vat (oznaka : W). Vat je snaga uređaja koji obavi jedan džul rada
u jednoj sekundi. Stara jedinica za snagu je konjska snaga (KS) koja iznosi 735,5 W. Jedinica
za energiju kilovat-sat (kWh) je rad koji obavi uređaj radeći snagom od 1 kW tijekom jednog
sata i iznosi 3,6 MJ.
Na kraju ovog poglavlju iznijet ću klasifikaciju osnovnih oblika energije (prema [1)].
Energija se najopćenitije može podijeliti na energiju nagomilanu u materiji i prijelaznu
energiju. Nagomilana energija dijeli se na kinetičku, potencijalnu i unutarnju energiju.
Kinetička energija potječe od gibanja tijela i jednaka je radu potrebnom da se tijelo ubrza iz
mirovanja do brzine kojom se giba. Potencijalna energija javlja se kad se tijelo nalazi u polju
konzervativne sile, pa može biti gravitacijska potencijalna, električna potencijalna, elastična
potencijalna i slično. Unutarnja energija koncentrirana je na razini molekula, atoma i
atomskih jezgara. Na razini molekula nagomilana je termička energija, koja se mijenja
dovođenjem i odvođenjem topline. Na razini atoma nagomilana je kemijska energija, koja se
mijenja kemijskim reakcijama. Na razini jezgara nagomilana je nuklearna energija, koja se
mijenja nuklearnim reakcijama fisije i
se prijelazom oblika nagomilane energije
prijelazne energije su rad, toplina i energija zra
2.2. Energija kao gospodarski i politi
Proizvodnja, distribucija i potrošnja energije ubrajaju se u najvažnije gospodarske,
društvene i političke probleme suvremenog svijeta. Potrošnja energije po stanovniku u nekoj
zemlji visoko korelira s njenom gospodarskom razvijenoš
Najvažniji faktor o kojem ovisi potrošnja energije u državi je bruto doma
a ostali faktori su (prema [2])
potrošača i energetska politika
(slika 1), dijelom zbog porasta svjetskog stanovništva, a dijelom zbog poboljšanja životnog
standarda.
Slika 1. Potrošnja energije u svijetu 1820.
Energetska politika pokušava riješiti probleme globalnog zatopljenja, one
i ubrzanog pražnjenja rezervi fosilnih goriva. Pri tome se služi poticanjem štednje energije,
racionalnog korištenja energije (npr. korištenje energetski u
štedljivijih automobila, energetska obnova ku
U razvijenim zemljama sve se više o
i privatizacija u energetici
izvora. Liberalizacija energetskih tržišta omogu
Privatizacija u energetici rješava problem nedostatka državnih investicija.
tržište električne energije je liberalizi
su za sve proizvođače i distributere pod jednakim uvjetima.
nuklearnim reakcijama fisije i fuzije. Prijelazna energija je kratkotrajna i pojavljuje
se prijelazom oblika nagomilane energije s jednog tijela na drugo. Najvažniji oblici
prijelazne energije su rad, toplina i energija zračenja.
2.2. Energija kao gospodarski i politički pojam
nja, distribucija i potrošnja energije ubrajaju se u najvažnije gospodarske,
ke probleme suvremenog svijeta. Potrošnja energije po stanovniku u nekoj
zemlji visoko korelira s njenom gospodarskom razvijenošću i životnim standardom.
niji faktor o kojem ovisi potrošnja energije u državi je bruto doma
(prema [2]) klima, industrijska struktura, cijena energije, ponašanje
olitika. Ukupna potrošnja energije u svijetu raste iz go
1), dijelom zbog porasta svjetskog stanovništva, a dijelom zbog poboljšanja životnog
Slika 1. Potrošnja energije u svijetu 1820. – 2000. po izvorima
Energetska politika pokušava riješiti probleme globalnog zatopljenja, one
i ubrzanog pražnjenja rezervi fosilnih goriva. Pri tome se služi poticanjem štednje energije,
racionalnog korištenja energije (npr. korištenje energetski učinkovitiji
štedljivijih automobila, energetska obnova kuća) i uporabe obnovljivih izvora.
U razvijenim zemljama sve se više očituju globalizacija i liberalizacija energetskih tržišta
i privatizacija u energetici [2]. Globalizacija tržišta omogućava bržu i jeftiniju gradnju novih
izvora. Liberalizacija energetskih tržišta omogućava konkurenciju i sniženje cijena.
Privatizacija u energetici rješava problem nedostatka državnih investicija.
ne energije je liberalizirano. Prijenosne mreže u državnom vlasništvu otvorene
e i distributere pod jednakim uvjetima.
5
fuzije. Prijelazna energija je kratkotrajna i pojavljuje
s jednog tijela na drugo. Najvažniji oblici
nja, distribucija i potrošnja energije ubrajaju se u najvažnije gospodarske,
ke probleme suvremenog svijeta. Potrošnja energije po stanovniku u nekoj
u i životnim standardom.
niji faktor o kojem ovisi potrošnja energije u državi je bruto domaći proizvod (BDP),
a energije, ponašanje
Ukupna potrošnja energije u svijetu raste iz godine u godinu
1), dijelom zbog porasta svjetskog stanovništva, a dijelom zbog poboljšanja životnog
2000. po izvorima
Energetska politika pokušava riješiti probleme globalnog zatopljenja, onečišćenja okoliša
i ubrzanog pražnjenja rezervi fosilnih goriva. Pri tome se služi poticanjem štednje energije,
inkovitiji h kućanskih aparata,
a) i uporabe obnovljivih izvora.
globalizacija i liberalizacija energetskih tržišta
ava bržu i jeftiniju gradnju novih
ava konkurenciju i sniženje cijena.
Privatizacija u energetici rješava problem nedostatka državnih investicija. U Europskoj uniji
rano. Prijenosne mreže u državnom vlasništvu otvorene
6
2.3. Osnovni izvori energije
Sva energija na Zemji potječe iz triju osnovnih izvora : energije Sunca, energije Zemlje i
energije gravitacije [1].
Energija Sunca posljedica je nuklearnih reakcija u njegovom središtu. Tamo se pod
utjecajem visoke temperature (107 K) i tlaka (1014 Pa) odvija nuklearna fuzija jezgara vodika
u jezgre helija uz oslobađanje energije. Energija se konvekcijom i zračenjem prenosi na
površinu Sunca, gdje je temperatura 5760 K. Odatle odlazi u svemir u obliku
elektromagnetskog zračenja. Dio Sunčeve energije koji dolazi na Zemlju iznosi [1] 1,5·109
TWh od čega se 30% reflektira natrag u svemir, a Zemlja apsorbira 70%, tj. 1,05·109 TWh,
što je više od ukupnih rezervi nafte i ugljena zajedno. Veći dio energije Sunca dobiva se
posredno kroz fotosintezu, isparavanje vode i strujanje vode i zraka. Fotosinteza je proces
kojim biljke pretvaraju solarnu energiju u kemijsku. Time se dobiva hrana za ljude i životinje
te energija drveta, biomase i fosilnih goriva. Isparavanje vode uzrokuje kruženje vode u
prirodi, čime se dobiva kinetička energija vodotokova. Strujanje vode i zraka posljedica je
nejednolikog zagrijavanja i različitih temperatura. Time se dobiva kinetička energija vjetra te
morskih struja i valova. Manji dio solarne energije koristi se izravno za proizvodnju energije.
Energija Zemlje (geotermalna energija) također potječe od nuklearnih reakcija. One se
događaju u Zemljinoj jezgri, koja se sastoji od rastaljene materije na 5500 K i 3,5 · 1011 Pa.
Energija koja dolazi na površinu Zemlje iznosi [1] 2,7 ·105 TWh godišnje. Moguće primjene
geotermalne energije vezane su uz temperaturni gradijent jer se toplinska energija može
iskoristiti samo ako postoji razlika u temperaturi. Prosječni emperaturni gradijent Zemlje
iznosi [1] 1 kelvin na 33 metra, a Zemljine kore 0,3 kelvina na 33 metra. Temperaturni
gradijent je visok u područjima jakih seizmičkih ativnosti. Prema trenutno razvijenoj
tehnologiji moguće primjene su : izvori vruće vode i pare, toplinske crpke i energija suhih
stijena. [1]
Energija gravitacije posljedica je gravitacijske sile između Sunca, Mjeseca i Zemlje koje
utječu na razinu vode u moru. Posljedica su morske mijene – plima i oseka, koje nose
kinetičku energiju.
7
2.4. Klasifikacija izvora energije
Općenito pri pretvorbi energije možemo definirati sljedeće oblike energije [1] :
1. Primarna (prirodna) energija (u prirodnom stanju)
2. Sekundarna (pretvorbena) energija (pripremljena za korisnika kroz tehničke procese)
3. Krajnja energija (kod korisnika transformirana energija)
4. Korisna energija (kod korisnika primjenjena energija)
Pri svakoj pretvorbi u lancu dolazi do gubitaka energije. Racionaliziranje pretvorbi primarnih
oblika energije u korisne oblike energije najvažniji je zadatak energetike.
Prirodni (primarni) oblici energije mogu se klasificirati po više kriterija. Prema
obnovljivosti, dijele se na neobnovljive i obnovljive oblike energije. U neobnovljive oblike
ubrajaju se fosilna goriva (ugljen, nafta i zemni plin) i nuklearna goriva. Obnovljivi oblici su
biomasa i bioplin, vodne snage (vodotokovi, morske struje i valovi, plima i oseka), sunčevo
zračenje, vjetar i unutarnja toplina Zemlje (geotermalna energija). Prednosti neobnovljivih oblika
(izvora) energije su [1] konstantnost (za razliku od npr. vjetra i Sunca), bolja mogućnost
skladištenja, transporta i prilagodbe potrebama u prirodnom obliku, manje investicije za
izgradnju postrojenja za njihovo dobivanje, pretvorbu i uporabu, te pogon i održavanje (u odnosu
na instaliranu snagu) i, najvažnije, veće tehničke mogućnosti i bolja ekonomska opravdanost
njihova korištenja. Zbog ovih razloga neobnovljivi izvori energije danas se više koriste. No,
upotreba neobnovljivih izvora energije uzrokuje štetne posljedice po okoliš, a njihove količine su
ograničene i mogle bi biti posve iscrpljene, što su razlozi sve većeg prelaska na obnovljive
izvore. Obnovljivi izvori ne mogu se s vremenom iscrpiti, ali je moguće potpuno iscrpiti njihove
potencijale. Na primjer, utvrdimo li najpogodnije lokacije za gradnju hidroelektrana određene
instalirane snage na određenom vodotoku i izgradimo li te elektrane, u potpunosti smo iscrpili
energetski potencijal vodotoka. Neke obnovljive izvore nije moguće uskladištiti i transportirati u
prirodnom obliku (vjetar, Sunčevo zračenje), a neke jest (voda u akumulacijama, biomasa i
bioplin). Energiju koju nije moguće usladištiti treba iskoristiti u trenutku kad se pojave ili
pretvoriti u neki drugi oblik energije.
Prema fizikalnim svojstvima, prirodne oblike energije dijelimo na [1] nosioce kemijske
energije (ugljen, nafta, zemni plin, biomasa i bioplin), nuklearne energije (nuklearna goriva),
mehaničke energije (vodne snage i vjetar), termičke energije (geotermalna energija, toplina
8
mora) i energije zračenja (solarna energija). S obzirom na uobičajenost uporabe dijele se na
konvencionalne (fosilna goriva, nuklearna goriva, vodotokovi) i nekonvencionalne (ostali). S
obzirom na postanak, goriva dijelimo na ona biljnog podrijetla (drvo i ostala biomasa, ugljen),
životinjskog podrijetla ( nafta i zemni plin) i mješovitog podrijetla (bioplin).
Da bi se od prirodnih oblika energije dobili korisni, obično je potrebno više
transformacija (pretvorbi). Time nastaju pretvorbeni (sekundarni) oblici energije. Moguće su
transformacije [2] :
- prirodnih oblika energije u prikladnije (isplinjavanje, destilacija)
- kemijske u termičku energiju (gorenje)
- nuklearne u termičku energiju (fisija i fuzija)
- termičke u mehaničku energiju (parne i plinske turbine)
- potencijalne energije vode u mehaničku energiju (vodne turbine)
- mehaničke u električnu energiju (generatori)
- električne u mehaničku i potencijalnu energiju vode (elektromotori i vodne pumpe)
- solarne energije neposredno u električnu (fotonaponske ćelije)
- kinetičke u mehaničku energiju (vjetroturbine).
Kemijska energija goriva najčešće se pretvara u termičku energiju procesom izgaranja.
Termička energija neposredno se koristi za grijanje prostorija, kuhanje, pripremu tople vode,
tehnološke procese pri kojima je potrebna visoka temperatura (keramička, metalurška, cementna
industrija i sl.). Nosioci energije su plinovi nastali izgaranjem. Termička energija plinova
izgaranja može se, dalje, prijelazom topline u parnim kotlovima predati vodi, odnosno vodenoj
pari. Para se može koristiti za grijanje prostorija ili u tehnološkim procesima gdje su potrebne
relativno niske temperature (do nekoliko stotina °C), a može se i upotrijebiti za pogon parnih
turbina u kojima se unutrašnja energija pare konačno transformira u kinetičku, a kinetička u
električnu pomoću generatora. Unutarnja energija plinova izgaranja može se i neposredno
pretvoriti u mehaničku energiju u plinskim turbinama i motorima s unutrašnjim izgaranjem.
Moguća je i neposredna transformacija kemijske energije goriva u električnu energiju pomoću
gorivih ćelija. Ponekad se ona koristi i kao kemijska energija (koks u metalurgiji).
9
Da bi se iskoristila kinetička energija vode ili vjetra, potrebna je pretvorba u mehaničku
energiju turbine, a zatim u električnu energiju. To vrijedi i za toplinsku energiju mora. Toplina
vrućih izvora i suhih stijena može se iskoristiti neposredno, ali samo na ograničenoj udaljenosti
od bušotina, ili pretvorbom u mehaničku, a zatim u električnu energiju. Energija Sunčevog
zračenja može se transformirati u unutrašnju energiju bez koncentracije zračenja (grijanje vode)
ili s koncetracijom zračenja da bi se postigla viša temperatura (proizvodnja vodene pare,
specijalni metalurški postupci) ili se može transformirati neposredno u električnu energiju
pomoću solarnih poluvodičkih elemenata.
Korisni oblici energije su oni koji su izravno potrebni potrošačima. To su uglavnom četiri
oblika energije [2] : toplinska, mehanička, rasvjetna i kemijska energija. Ponekad je potrebno i
više oblika energije istovremeno.
Izvor toplinske energije obično je vrela voda ili vodena para kao nosioc unutarnje
energije. Najčešće su potrebni izmjenjivači topline (npr. radijatori); ponekad se primjenjuje i
postupak miješanja vodene pare ili vrele vode s kapljevinom koju treba ugrijati, npr. u kupkama
za bojenje u tekstilnoj industriji.
Izvor mehaničke energije za stacionarne potrošače je gotovo isključivo električna
energija za pogon elektromotora. Za transport se mehanička energija proizvodi uglavnom
pomoću motora s unutrašnjim izgaranjem. Za brodski promet upotrebljavaju se i parni kotlovi s
parnim turbinama. Za željeznički i gradski promet u obzir dolazi i električna energija.
Izvor rasvjetne energije isključivo je električna energija. Ta je energija također
nezamjenjiva za elektrokomunikacijske uređaje (telefon, računalo, radio, televizija).
Kemijska energija je korisni oblik energije u redukcijskim pećima i pri elektrolizama.
Koriste se kemijska energija koksa i električna energija. Tu se pojavljuje i toplinska energija kao
korisni oblik energije.
10
2.5. Potrošnja energije
Ukupna potrošnja energije u svijetu u 2012. godini procjenjuje se na 5,6 · 1020 J ili 155 TWh [6].
Raspodjela po izvorima je sljedeća : nafta 34 %, ugljen 25%, zemni plin 21%, biomasa 11%
(većinom drvo u nerazvijenim zemljama), nuklearna goriva 6,4%, hidroenergija 2,2% i ostali
izvori 0,4%.
Slika 2. Udio izvora energije u ukupnoj potrošnji
Najveći potrošači energije su Kina, SAD, Rusija, Indija, Japan, Kanada, Njemačka,
Brazil, Južna Koreja i Francuska. Navedenih 10 zemalja troši 64% svjetske energije.
Slika 3. Najveći potrošači energije u 2001. i 2011.
11
33% svjetske energije troši industrija, 28% promet, 21% kućanstva i javne ustanove, a 18%
poslovni sektor (bez industrije).
Slika 4. Potrošnja energija po sektorima
U kućanstvima se 31% energije troši na grijanje, po 12% na klimatizaciju i pripremu tople vode,
11% na rasvjetu, po 9% na kućanske aparate i elektroniku, 8% na rad hladnjaka i 8% na ostale
primjene.
Slika 5. Potrošnja energije u kućanstvima
12
3. VODNE SNAGE
U vodne snage ubrajamo energiju vodotokova, morskih struja i valova te plime i oseke.
Od tih oblika energije najviše se koristi energija vodotokova. U povijesti se energija vode
koristila za navodnjavanje, mljevenje žita, piljenje drveta, obradu metala i razne druge primjene.
Danas se pretežno koristi za proizvodnju električne energije. Prva hidroelektrana proradila je
1881. godine u SAD u blizini Niagarinih slapova. U hidroelektranama se proizvodi 16 %
svjetske električne energije [6].
Slika 6. Brana hidroelektrane Tri klisure u Kini, najveće elektrane na svijetu (22 500 MW).
Brana je duga 2 km i visoka 175 m.
Energija vode je prirodno transformirana Sunčeva energija. Sunčevo zračenje zagrijava
Zemljinu površinu i uzrokuje isparavanje vode iz mora i drugih voda te iz tla i biljaka. Voda se
potom vraća na površinu Zemlje u obliku oborina, pri čemu može pasti na veću visinu od one na
kojoj je isparila . Podizanjem vode dobiva se gravitacijska potencijalna energija. Voda potom
otječe niz rijeku i pri tome ima kinetičku energiju. Energija morskih struja i valova posljedica je
nejednolikog zagrijavanja vode (morske struje) i zraka (valovi, posredno putem vjetra). Energija
plime i oseke dolazi od gravitacijskog djelovanja Mjeseca i Sunca i rotacije Zemlje oko svoje
osi. Energija vode koristi se tako što se potencijalna (u akumulacijama) ili kinetička energija
vode ( kod protočnih hidroelektrana) pomoću vodnih turbina pretvara u mehaničku energiju, a
potom u električnu pomoću generatora.
Ukupna snaga oborina može se izračunati iz ukupne mase oborina i prosječne visine s
koje one padaju na Zemlju (3 000 m). Izračunom se dobiva [2] iznos od 4,4·1010 W, što je više
od ukupne energetske potrošnje čovječanstva, ali se teorijski može iskoristiti samo 0,01% do
0,15%. Dostupni dio potencijalne energije vode može se izračunati [2] iz prosječne nadmorske
visine tla (700 m), prosječne koli
Dobiva se
# = $ ∙ % ∙ & = ' ∙ � ∙ % ∙ & =8,035 ∙ 10�./ = 223 ∙ 1012�Dvije trećine vode će ispariti, a samo 16% preostale energije položaja je
je ukupna iskoristiva energija 11,9
Hidrološka svojstva hidroelektrane su
otjecanja, vodostaj (H), pad vode, protok (Q), konsumpciona krivulja,
veličina izgradnje, bruto i neto snaga te mogu
otjecanja računa se kao 345�67zanemarivo do 0,95 [2]. Količina vode koja pritje
topografiji tla i vremenskom rasporedu oborina.
Protok je volumen vode koji pro
H = f(Q) daje ovisnost vodostaja o protoku. Razli
o obliku korita na mjestu mjerenja.
vjerojatnosti pojave različitih iznosa protoka u vremenu. Za protoke koji se
nagib krivulje bit će manji, a za rije
Slika
odlučuje se koja će se veličina i
protok Qi koji hidroelektrana može propustiti kroz pretvorbeni sustav.
volumen vode je �8 = � � 9:.
količine oborina (0,9 m godišnje) i površine kopna (130
= 1000 5%$�; ∙ 130 ∙ 10��$� ∙ 0,9 $ ∙ 9,812�& .
e ispariti, a samo 16% preostale energije položaja je iskoristivo
je ukupna iskoristiva energija 11,9·106 GWh.
Hidrološka svojstva hidroelektrane su količina vode koja pritječ
vodostaj (H), pad vode, protok (Q), konsumpciona krivulja, krivulja trajanja protoka,
ina izgradnje, bruto i neto snaga te moguća i stvarna godišnja proizvodnja energije.
345�67 6�=>?4@=4 = AB�C D EFBGC�FCHBG AB�B�BIDBJBF8HKIB EB�FDčMN ∙IBO8č8HC BJBF8HC
Količina vode koja pritječe u vodotok ovisi o količ
topografiji tla i vremenskom rasporedu oborina. Vodostaj i pad vode mjere se pomo
Protok je volumen vode koji prođe vodotokom u jedinici vremena. Konsumpciona krivulja
daje ovisnost vodostaja o protoku. Različita je na različitim mjestima vodotoka. Ovisi
o obliku korita na mjestu mjerenja. Krivulja trajanja protoka Q = f(t)
čitih iznosa protoka u vremenu. Za protoke koji se
e manji, a za rijeđe protoke veći. Prema krivulji trajanja protoka
Slika 7. Primjer krivulje trajanja protoka
čina i snaga hidroelektrane graditi. Veličina izgradnje je maksimalni
koji hidroelektrana može propustiti kroz pretvorbeni sustav.
� . O veličini izgradnje i krivulji trajanja protoka ovisit
13
ine oborina (0,9 m godišnje) i površine kopna (130·1012 m2) .
81 $�� ∙ 700 $ =
iskoristivo [2], tako da
ina vode koja pritječe u vodotok, faktor
krivulja trajanja protoka,
a i stvarna godišnja proizvodnja energije. Faktor
AB�B�BIDBJBF8HC i iznosi od
e u vodotok ovisi o količini oborina, sastavu i
Vodostaj i pad vode mjere se pomoću vodokaza.
Konsumpciona krivulja
itim mjestima vodotoka. Ovisi
Krivulja trajanja protoka Q = f(t) je krivulja koja daje
itih iznosa protoka u vremenu. Za protoke koji se često pojavljuju
Prema krivulji trajanja protoka
ina izgradnje je maksimalni
koji hidroelektrana može propustiti kroz pretvorbeni sustav. Pripadni iskoristivi
ini izgradnje i krivulji trajanja protoka ovisit će stupanj
iskorištenja vode, koji je jednak omjeru iskoristivog volumena vode i ukupnog proteklog
volumena. Snaga hidroelektrane iznosi
� = #� = $%&
� = �'%&� =
gdje je Qsi srednji iskoristivi protok, a H pad elektrane. Mogu
energije iznosi W = 8760 · P [kWh].
Tehnički iskoristiva energija vodotoka smanjena je zbog trenja u dovodima (tunel, tla
cjevovod), te gubitaka protoka, što se de
[2]. Srednja iskoristiva snaga (neto snaga) koju hidroelektrana daje na priklju
može se odrediti iz jednadžbe
korisnog djelovanja turbine i generatora, H
Ukupni stupanj korisnog djelovanja
hidroelektranama iznosi i do 90%.
manja postrojenja približno 75%
Hidroelektrana se sastoji od
pretvorbu potencijalne energije vode u mehani
i razvod električne energije [1]
dovod vode, vodna komora ili vodostan, tla
i odvod vode.
Slika
Konstrukcija hidroelektrane ovisi o
zahtjevima, hidroenergetskom iskorištenju vodotoka, uvjetima poljoprivrede i opskrbe vodom,
iskorištenja vode, koji je jednak omjeru iskoristivog volumena vode i ukupnog proteklog
Snaga hidroelektrane iznosi [2] :
= �� '%& = '%& = 9,81 ∙ 10; & Q�R = 9,81
srednji iskoristivi protok, a H pad elektrane. Moguća godišnja proizvodnja elektri
· P [kWh].
ki iskoristiva energija vodotoka smanjena je zbog trenja u dovodima (tunel, tla
cjevovod), te gubitaka protoka, što se definira kroz neto pad Hn (neto pad = bruto pad
Srednja iskoristiva snaga (neto snaga) koju hidroelektrana daje na priklju
može se odrediti iz jednadžbe : � = 9,81 ∙ �� ∙ �� ∙ K8 ∙ SH QI�R , gdje su
risnog djelovanja turbine i generatora, Hn raspoloživi neto pad i Qsi srednji iskoristivi protok.
Ukupni stupanj korisnog djelovanja η = ηt ·ηg pri optimalnom optere
hidroelektranama iznosi i do 90%. Prosječno za veća postrojenja iznosi
manja postrojenja približno 75% [2].
Hidroelektrana se sastoji od objekata i dijelova koji služe za skupljanje i odvo
pretvorbu potencijalne energije vode u mehaničku, odnosno električnu energiju te transformaciju
[1]. Tipični dijelovi hidroelektrane su brana ili pregrada, zahvat,
dovod vode, vodna komora ili vodostan, tlačni cjevovod, strojarnica (vodne turbine i generatori)
Slika 8. Pojednostavljena shema hidroelektrane
Konstrukcija hidroelektrane ovisi o topografskim i geološkim uvjetima, pogonskim
zahtjevima, hidroenergetskom iskorištenju vodotoka, uvjetima poljoprivrede i opskrbe vodom,
14
iskorištenja vode, koji je jednak omjeru iskoristivog volumena vode i ukupnog proteklog
81 ∙ K8 ∙ S Q5�R a godišnja proizvodnja električne
ki iskoristiva energija vodotoka smanjena je zbog trenja u dovodima (tunel, tlačni
(neto pad = bruto pad – gubici)
Srednja iskoristiva snaga (neto snaga) koju hidroelektrana daje na priključcima generatora
gdje su ηt i ηg stupnjevi
srednji iskoristivi protok.
pri optimalnom opterećenju u modernim
a postrojenja iznosi približno 80%, a za
objekata i dijelova koji služe za skupljanje i odvođenje vode,
nu energiju te transformaciju
brana ili pregrada, zahvat,
ni cjevovod, strojarnica (vodne turbine i generatori)
topografskim i geološkim uvjetima, pogonskim
zahtjevima, hidroenergetskom iskorištenju vodotoka, uvjetima poljoprivrede i opskrbe vodom,
15
ribarstvu i prirodnom okolišu. Ovisno o konstrukciji, hidroelektrane se mogu podijeliti po više
kriterija. Prema padu se dijele na niskotlačne (do 25 m), srednjetlačne (25-200 m) i visokotlačne
(>200 m) [2]. Prema smještaju strojarnice, hidroelektrane se dijele na pribranske, kod kojih je
strojarnica smještena neposredno uz branu, i derivacijske, kod kojih su zahvat vode i strojarnica
prostorno odijeljeni, a voda se dovodi do turbina cjevovodom dugim i više kilometara. Prema
načinu korištenja vode dijele se na protočne, akumulacijske i crpno – akumulacijske. Kod
protočnih hidroelektrana voda se koristi kako dotječe. Kod akumulacijskih hidroelektrana voda
se može akumulirati u razdoblju kada je potreba mreže za električnom energijom manja, a trošiti
kad je potreba veća. Kod crpno – akumulacijskih hidroelektrana moguće je i pomoću električne
vodne pumpe vraćati vodu u akumulaciju u razdobljima viška energije u mreži. Akumulacija
može biti dnevna ili sezonska. Dnevne akumulacije pune se noću, a prazne danju. Sezonske
akumulacije pune se u kišnom, a prazne u sušnom periodu.
Turbine su strojevi koji pretvaraju kinetičku energiju vode u energiju rotacije rotora koji
pokreće električni generator. Općenito se dijele na turbine slobodnog mlaza (akcione) i pretlačne
(reakcione) turbine [2]. Akcione turbine slične su vodenom kotaču. Samo su dijelom uronjene u
vodu. Pogodne su za velike padove. Reakcione turbine slične su elisi broda. U cijelosti su
potopljene u vodi. Prikladne su za male padove i velike protoke.
Slika 9. Akciona (gore) i reakciona (dolje) turbina
Tri najvažnija tipa vodnih turbina su Peltonova, Francisova i Kaplanova (nazvane po
izumiteljima) [7]. Peltonova turbina je akciona i pogodna je za velike padove (do 2 km), a okreće
se do 60 puta u minuti. Francisova i Kaplanova turbina su reakcione i pogodne su za manje
padove (Francisova 30 - 300 m, Kaplanova 7 - 30 m) i veće količine vode, a okreću se brže
(Francisova do 500 puta u minuti, Kaplanova do 1200).
16
Slika 10. (s lijeva na desno) Peltonova, Francisova i Kaplanova turbina
Hidroenergetski sustavi se po dimenzijama dijele na velike (>30 MW), male (100
kW – 30 MW) i mikrosustave (<100 kW) [2]. Veliki sustavi mogu zadovoljavati potrebe
za energijom i više milijuna ljudi. Mali sustavi dovoljni su za potrebe industrijskog
pogona ili manjeg grada. Mikrosustavi su osobito pogodni za nepristupačna i slabo
naseljena područja. Mikrosustavi su ekološki najprihvatljiviji jer njihova izgradnja ne
mijenja uvelike tok rijeke i prirodni okoliš. Mogu raditi i bez stalno prisutnog osoblja.
Glavni nedostatak im je nekonstantnost proizvodnje električne energije zbog varijacija u
protoku i malih akumulacija.
Hidroenergija je uglavnom ekološki prihvatljiv izvor energije jer nema emisija u
okoliš (osim pri gradnji elektrane), obnovljiv je izvor, učinkovitost pretvorbe u električnu
energiju je visoka, a izgradnjom elektrane može se kontrolirati tok rijeke i spriječiti
poplave te osigurati navodnjavanje poljoprivrednih površina. Međutim, postoje i značajni
ekološki problemi vezani uz primjenu hidroenergije. Turbine ozljeđuju ribe i ostale
životinje i utječu na njihove migracije. Promjenom prirodnog toka rijeke okolni biosustav
se značajno mijenja. Smanjuje se kvaliteta vode nizvodno. Ponekad se kod gradnje
velikih hidroelektrana poplavljuju nastanjena područja i iseljava stanovništvo.
17
4. BIOMASA
Biomasa su sve biorazgradive tvari biljnog i životinjskog porijekla, dobivene od otpada i
ostataka poljoprivredne i šumarske proizvodnje [2]. Biomasa dolazi u čvrstom, tekućem
(biodizel, bioetanol) i plinovitom stanju (bioplin, plin iz rasplinjavanja biomase, deponijski plin).
Najčešće vrste biomase su [prema 1] :
1. Šumska biomasa – ogrjevno drvo te ostaci i otpad iz šumarske proizvodnje nastali
redovitim gospodarenjem šumama. Korištenje drva za ogrjev tradicionalna je i
najzastupljenija vrsta korištenja biomase. Uporaba šumske biomase ekološki je
prihvatljiva samo ako je održiva, odnosno ako su posječene površine manje od prirasta.
2. Biomasa iz drvne industrije – ostaci i otpad pri piljenju, brušenju i blanjanju. Često je to
otpad koji opterećuje poslovanje drvne industrije, pa se uz proizvodnju energije rješava i
taj problem. Takva biomasa je jeftinije i kvalitetnije gorivo od šumske biomase. Piljevina
se koristi kao gorivo u kotlovnicama ili prerađuje u brikete, pelete i slično.
3. Poljoprivredna biomasa – ostaci godišnjih kultura poput slame, kukuruzovine, stabljika,
ljusaka ili koštica. Poljoprivredna biomasa heterogenog je sastava i niske ogrijevne moći
s visokim udjelom vlage i različitim primjesama.
4. Energetski nasadi – biljke uzgojene radi proizvodnje energije. Uzgajaju se biljke bogate
uljem ili šećerom (npr. uljana repica, šećerna trska) ili drveće s velikim udjelom suhe
tvari i koje brzo raste (npr. vrba, topola, jablan, eukaliptus). Takva proizvodnja daje
velike prinose. Proizvodnja energije ovdje može konkurirati proizvodnji hrane u uporabi
poljoprivrednih površina.
5. Biomasa s farmi životinja – izmet životinja i spaljivanje lešina (npr. na peradarskim
farmama). Od izmeta životinja anaerobnom fermentacijom se proizvodi bioplin.
Slika 11. Postrojenje za proizvodnju bioplina
18
6. Bioetanol i biodizel – goriva slična benzinu i dizelu. Bioetanol nastaje fermentacijom
šećera u alkohol. Šećer dolazi od šećerne trske ili se dobiva hidrolizom škroba iz
kukuruza ili celuloze iz drveta. Biodizel nastaje esterifikacijom biljnih ulja s alkoholom
(uljana repica, suncokret, soja, otpadno jestivo ulje). Koriste se za pogon vozila u čistom
obliku ili pomiješana s benzinom ili dizelom iz nafte.
7. Komunalni otpad – organski dio kućnog otpada, biomasa iz parkova i vrtova, mulj iz
kolektora otpadnih voda. Korištenje takve biomase zahtijeva velike investicijske
troškove, ali time se uz proizvodnju energije rješava problem zbrinjavanja otpada.
Sve su vrste biomase obnovljiv izvor energije, s tim da je za ogrjevno drvo uvjet
obnovljivosti neprekidno pošumljavanje prostora barem toliko da godišnji prinos bude jednak
godišnjem iskorištenju drvne mase.
Ogjevna moć (energetska vrijednost) biomase je nehomogena, kao posljedica različitih
sadržaja vlage i pepela. Drvo ima ogrjevnu moć [1] 8,2 do 18,7 MJ/kg, biljni ostaci 5,8 do 16,7
MJ/kg, bioplin 26 MJ/m3, bioetanol 26,8 MJ/l a biodizel 37,2 MJ/l. Za usporedbu, ogrjevna moć
ugljena je 12,6 - 37,7 MJ/kg, nafte 42 MJ/l a zemnog plina 34-38 MJ/m3.
Za dobivanje biomase potrebno je utrošiti energiju. Kod šumske biomase energija se troši na
sječu drva, pošumljavanje i uzgoj šume, transport od mjesta sječe do mjesta upotrebe te za
pripremu drveta za korištenje. Pri tome je moguća neracionalnost uporabe, odnosno da utrošak
energije bude veći od proizvedene energije. Kod poljoprivredne, životinjske i biomase iz drvne
industrije te otpada moguće je izostaviti utrošak pridobivanja jer se odvija neovisno od
energetskog korištenja (npr. slama kao rezultat proizvodnje pšenice).
Pri sagorijevanju biomase emitiraju se štetni plinovi kao i kod fosilnih goriva, no štetnost je
manja jer praktički nema sumpora u biomasi. Emisija čestica i dušikovih oksida manja je nego
kod nafte i ugljena, a veća nego kod zemnog plina [1]. Emisija kod korištenja otpada može biti i
opasna ako se prethodno iz otpadaka ne izdvoje štetni sastojci.
Upotreba biomase ne povećava količinu ugljičnog dioksida u atmosferi zbog tzv.
kumulativne neutralnosti : emisija CO2 pri izgaranju jednaka je količini CO2 koju je biljka
potrošila fotosintezom prilikom rasta. Ovo je ispunjeno ako je godišnji prirast mase veći ili
jednak iskorištenoj masi.
19
Slika 12. Kumulativna neutralnost biomase
Biomasa je relativno ravnomjerno rapodijeljena po površini s koje se prikuplja, no
energetska površinska gustoća je vrlo mala. Npr. na 1 km2 slama ima energetski sadržaj oko 2
kWh godišnje [1]. Za usporedbu, naftna bušotina koja zauzima površinu od nekoliko stotina
kvadratnih metara može proizvesti energetski sadržaj nafte od milijardu kWh godišnje.
Biomasa se može transportirati na razumno veliku udaljenost (pretjerana udaljenost
tražila bi više energije za transport od energetskog sadržaja tereta) te se može uskladištiti i
koristiti prema potrebi. To je velika prednost u odnosu na npr. energiju Sunčevog zračenja i
vjetra.
Prirodni oblici biomase često se prerađuju u pogodnije. Osnovni razlog za to je povećanje
energetske vrijednosti po jedinici mase, koja je kod prirodnih oblika biomase preniska. Time se
olakšava transport, skladištenje i uporaba. Osim toga, biomasa se prerađuje u tvari koje mogu
poslužiti za pogon parnih turbina i motora s unutarnjim izgaranjem. Tehnologije prerade biomase
mogu se podijeliti na tehnologije zgušnjavanja, biokemijske pretvorbe i termokemijske pretvorbe
[2].
Zgušnjavanje je proces kojim se od drveta proizvode briketi ili peleti. Faze procesa su
usitnjavanje drveta, sušenje, prešanje i hlađenje. Dobiveni proizvod ima manji volumen po
jedinici energije i uniformnog je oblika, što olakšava transport i skladištenje. Peleti su manjih
dimenzija od briketa te omogućuju automatizaciju loženja, npr. u pećima za centralno grijanje
koje imaju spremnik za pelete, pa nije potrebno ručno ubacivati gorivo u ložište [8].
U biokemijske prevorbe ubrajaju se anaerobno truljenje, fermentacija i esterifikacija.
Anaerobno truljenje je raspadanje tvari bez pristupa zraka pri čemu se razvijaju plinovi i njime se
od životinjskog izmeta proizvodi bioplin. Sastav bioplina ovisi o svojstvima materijala i
20
temperaturi i tlaku u digestoru . Fermentacijom se od ugljikohidrata proizvodi bioetanol. Moguće
sirovine su šećer iz šećerne trske, škrob iz kukuruza ili celuloza iz drveta i poljoprivrednih
ostataka. Bioetanol služi kao zamjena za benzin. Motori projektirani za pogon benzinom mogu
se pokretati smjesom benzina i bioetanola s maksimalnim udjelom bioetanola od 20% [1]. Uz
preinake na motoru moguć je i pogon čistim bioetanolom. Esterifikacijom se od masti proizvodi
biodizel. Moguće sirovine su biljna ulja (najčešće od uljane repice), životinjske masti i otpadna
jestiva ulja. Biodizel zamjenjuje dizelsko gorivo i može se koristiti u čistom stanju za pogon svih
dizelskih motora. Ipak, za gorivo s udjelom biodizela većim od 20% potrebne su manje preinake
na cijevima za gorivo i brtvama koje dolaze u dodir s gorivom [1]. Biodizel ima bolju mazivost
od mineralnog dizela, što je povoljno za vijek trajanja motora, sadrži manje sumpora i
aromatskih ugljikovodika i biorazgradiv je, zbog čega njegov transport nije ekološki rizičan.
U termokemijske pretvorbe ubrajaju se rasplinjavanje i piroliza. Rasplinjavanjem se od
čvrste biomase (npr. drveta) proizvodi plin [9]. U spremnik pri visokoj temperaturi (do 1400 °C)
ulaze usitnjeno drvo i ograničena količina zraka, a izlaze plin i pepeo. Rasplinjavanjem se
povećava efikasnost proizvodnje električne energije, jer plinska turbina ima veću korisnost od
parne turbine na drva. Proces se može odvijati istostrujno, protustrujno, poprečno i u
fluidiziranom sloju (vidi sliku 13).
Slika 13. Vrste rasplinjavanja – u fluidiziranom sloju, istostrujno i protustrujno
Glavni sastojci dobivenog plina su metan, ugljični monoksid i vodik [9]. Najveći nedostatak
drvnog plina je velik udio nečistoća koje mogu oštetiti osjetljive parne turbine. Plin se može
pročistiti, ali pročišćavanje je skupo.
Piroliza je termokemijski proces djelomičnog izgaranja uz slab dotok kisika, pri čemu
dolazi do isparavanja hlapljivih sastojaka i proizvodnje tekućeg goriva (bioulja), pogodnijeg za
transport i skladištenje [1]. Piroliza ima znatan potencijal (npr. piroliza otpada), ali se još uvijek
slabo koristi. Potrebna su daljnja ulaganja u istraživanje i razvoj.
21
Biomasa se koristi za proizvodnju električne energije u termoelektranama na isti način
kao i fosilna goriva. Kemijska energija biomase najprije se pretvara u termičku energiju vodene
pare ili plina, koja se zatim pomoću turbine pretvara u mehaničku, pa potom pomoću generatora
u električnu energiju. Zbog visokih troškova transporta za biomasu su pogodna postrojenja male
snage, ali ona imaju manji stupanj korisnosti. Npr. za elektranu na biomasu snage 5 MW
korisnost iznosi 15% - 20% [1]. Stupanj korisnosti može se povećati gradnjom kogeneracijskih
postrojenja – postrojenja koja istovremeno proizvode električnu energiju i toplinu. Za
kogeneraciju je potreban potrošač toplinske energije (npr. industrija).
Elektrane na biomasu dijele se na niskonaponske (0,4 kV), srednjenaponske (10, 20 i 35
kV) i visokonaponske (110, 220 i 400 kV) [1]. Niskonaponske elektrane na biomasu su male
kogeneracije snage nekoliko desetaka ili stotina kW. Srednjenaponske elektrane su najčešće u
primjeni i tipično su elektrane na biomasu ili bioplin. Imaju snagu od nekoliko MW do nekoliko
desetaka MW. Visokonaponske elektrane su velike industrijske ili kogeneracijske elektrane
snage nekoliko desetaka ili stotina MW.
Primjena biomase ekonomski je isplativa jer osnovna sirovina ima nisku ili gotovo
zanemarivu (npr. poljoprivredni ostaci) cijenu. No. znatan utjecaj na ukupnu cijenu imaju
troškovi dobivanja (izvlačenja), prerade i transporta, uz dodatan problem manjeg stupnja
korisnosti kod proizvodnje električne energije. Cijena biomase za grijanje i proizvodnju
električne energije konkurentna je cijeni fosilnih goriva [1]. Bioetanol i biodizel su skuplji od
fosilnih goriva, ali njihova primjena se potiče smanjenjem ili ukidanjem poreza ili trošarina.
Biomasa je ekološki prihvatljiviji izvor energije od fosilnih goriva zbog spomenute
kumulativne neutralnosti, tj. gotovo da nema emisije CO2. Emisije ostalih štetnih plinova su za
drvo manje nego za ugljen i naftu, a veće nego za zemni plin. Korištenjem bioetanola i biodizela
u prometu emitiraju se benzen, toluen, sumporni dioksid i teški metali slično kao i kod
mineralnih goriva. Održivost uporabe biomase zahtijeva da količina koja se koristi bude manja
ili jednaka prirastu, ali i vraćanje pepela u tlo kako bi se vratili minerali (dušik, kalcij, fosfor,
kalij) koje je biljka iscrpila tijekom rasta.
22
5. ENERGIJA SUNČEVOG ZRAČENJA
Sunčevo zračenje izvor je gotovo sve energije na Zemlji, no u proizvodnji energije koristi
se pretežno energija transformirana u pogodnije prirodne oblike, poput fosilnih goriva, biomase i
hidroenergije. U ovom poglavlju govorit ću o neposrednom korištenju energije Sunčevog
zračenja (solarne energije) u proizvodnji energije.
Snaga Sunčevog zračenja koja dopire do vanjskog ruba Zemlje ovisno o udaljenosti
Zemlje od Sunca iznosi 1307 – 1399 W/m2 na plohu okomitu na smjer zračenja [2]. Kako se
Zemlja giba oko Sunca po eliptičnoj putanji, udaljenost Zemlje od Sunca ovisi o dobu godine.
Srednja vrijednost snage Sunčevog zračenja na okomitu plohu naziva se solarna konstanta i
iznosi E0sr = 1367,7 W/m2. Za određenu udaljenost Zemlje od Sunca stvarna snaga Sunčevog
zračenja na okomitu plohu iznosi : #. = #.KF ∙ TFUV�
, gdje je r srednja udaljenost Zemlje od
Sunca, a R stvarna udaljenost Zemlje od Sunca. Snaga Sunčevog zračenja za određeni dan u
godini može se približno izraziti kao [2]:
#. @! = W. @!#.KF = [1 + 0,034 cos(360° H;1Z )]#.KF
gdje je n broj dana u godini proteklih prije promatranog dana. Ukupna dnevna količina energije
po jedinici površine koja se dobije ozračenjem vodoravne plohe računa se po izrazu [2] :
�. @, [, \, ]K! = ^1 _..` #.KF[1+0,034cosT360° H
;1ZVR �`;1.° ]Ka@[a@\ + a@]K?6[?6\!
gdje je ]K satni kut Sunca, ϑ zemljopisna širina promatranog mjesta a δ deklinacija Sunca (kut
između spojnice središta Zemlje sa središtem Sunca i ravnine ekvatora). Deklinacija Sunca za
određeni dan iznosi : \ = 23,45° ∙ a@ T360° �_^�H;1Z V�
. Prosječna mjesečna ili godišnja energija
Sunčevog zračenja u nekom mjesecu ili godini dobiva se kao aritmetička sredina dnevnih
energija za sve dane u promatranom mjesecu ili godini. Ipak, pri prolasku kroz atmosferu dolazi
do gubitaka energije koji ovise o atmosferskim prilikama (vedro. poluoblačno, oblačno),
zagađenosti atmosfere i nadmorskoj visini. Maksimalni dotok energije do Zemljine površine
iznosi u prosjeku dnevno 920 W/m2 na plohu okomitu na smjer zračenja [2]. Kako ploha nije
stalno okomita na Sunčevo zračenje zbog rotacije Zemlje, na površinu Zemlje dolazi prosječno
dnevno 230 W/m2 [2]. To daje dnevno 5,52 kWh/m2 energije, ovisno o trajanju insolacije
(zemljopisna širina, godišnje doba) te naoblaci i zagađenosti.
Kako je površina Zemlje 510 milijuna km2, ukupna godišnja energija zračenja je oko
23
109 TWh, što je mnogo više od ukupne potrošnje energije. No, postoje veliki problemi pri
iskorištavanju te energije. Energija po jedinici površine je mala. Intenzitet zračenja oscilira
tijekom dana i godine te ovisi o klimatskim uvjetima. Pri tome se intenzitet zračenja ne poklapa s
intenzitetom potrošnje. Energiju nije moguće skladištiti u prirodnom obliku. Korištenje energije
Sunca još uvijek nije ekonomski isplativo u odnosu na druge izvore energije, a isplativije je
pretvarati Sunčevu energiju u toplinsku nego izravno u električnu. Osnovni su načini uporabe
energije Sunca [prema 1] :
1. Pasivno solarno grijanje
2. Aktivno solarno grijanje
3. Solarne toplinske elektrane
4. Fotonaponske (solarne) ćelije.
U prva tri slučaja energija Sunca se pretvara u toplinsku, a kod fotonaponskih ćelija u električnu.
Pasivno solarno grijanje podrazumijeva izravno grijanje zgrade kao kolektora topline.
Osnovni zahtjevi pasivne solarne arhitekture su velika južna površina zgrade za prihvat sunčevog
zračenja, konstrukcija s velikim toplinskim kapacitetom (npr. gusti beton ili puna cigla), dobra
izolacija na prozorima i vratima i izbjegavanje zasjenjavanja objekta.
Aktivno solarno grijanje je zagrijavanje vode pomoću solarnih kolektora. Voda se može
koristiti za grijanje stanova, kao potrošna topla voda u kućanstvu, kao topla voda u bazenima, za
industrijske procese i druge namjene. Solarno zagrijavanje vode je isplativo ako je potreba za
toplom vodom konstantna kroz tjedan, a poželjno i kroz godinu, ako je cijena drugih izvora
energije visoka i ako postoje dovoljne površine za postavljanje kolektora. Sunčanija klima
također pomaže, ali nije uvjet; solarno grijanje moguće je i u hladnijoj klimi. Potenciijalne
lokacije za postavljanje kolektora su kuće za stanovanje, škole, bolnice, hoteli, industrijski
pogoni i slično.
Solarni toplinski kolektori mogu se podijeliti po temperaturi na kojoj efikasno griju vodu
na niskotemperaturne, srednjetemperaturne i visokotemperaturne kolektore [2].
Niskotemperaturni kolektori nemaju pokrov i nisu izolirani. Srednjetemperaturni kolektori su
izolirani i imaju stakleni pokrov koji propušta Sunčevo zračenje, a zadržava infracrveno zračenje
u suprotnom smjeru. Visokotemperaturni kolektori su oni koji koncentriraju Sunčevo zračenje ili
kod kojih se voda nalazi u vakuumiranim cijevima.
24
Slika 14. Tipovi solarnih kolektora – niskotemperaturni (gore lijevo), srednjetemperaturni
(ravna ploča – gore desno), vakuumirana cijev (dolje lijevo), koncentrirajući parabolični kolektor
(dolje desno)
Da bismo izračunali stupanj korisnosti solarnih kolektora, uvodimo sljedeće oznake [2] :
G – ukupno (izravno i difuzno) zračenje (W/m2)
A – površina kolektora (m2)
τ – vodljivost kolektora
α – apsorptivnost apsorbera
F – faktor prijenosa topline
Qk – korisna toplinska snaga (W)
k – koeficijent ukupnih toplinskih gubitaka (W/m2K)
Tu – ulazna temperatura (K) (temperatura vode u kolektorima)
Tz – vanjska temperatura (K)
Ukupna energija primljenog Sunčevog zračenja iznosi 2 ∙ d, apsorbirana energija iznosi
2 ∙ e ∙ f ∙ � ∙ d, gubici 5 ∙ gD − gi! ∙ � ∙ d, a korisna toplina
I = � ∙ d ∙ Qe ∙ f ∙ 2 − 5 ∙ gD − gi!R. Stupanj korisnosti je
� = 9jk∙l = � ∙ me ∙ f − I∙ no�np!
k q. Niskotemperaturni kolektori su najefikasnija vrsta kolektora kada je razlika temperature
vode i vanjske temperature manja od 10°C, srednjetemperaturni ako je razlika 10 – 50 °C, a
visokotemperaturni za razlike temperature veće od 50 °C [2]. Iz ovog svojstva proizlaze i
25
moguće primjene. Niskotemperaturni kolektori koriste se za zagrijavanje vode u bazenima,
predgrijavanje zraka za ventilaciju, praonice automobila i otapanje snijega. Srednjetemperaturni
kolektori koriste se za proizvodnju stambene i komercijalne tople vode, javne ustanove,
rekreacijske centre i sl. Visokotemperaturni kolektori koriste se za proizvodnju tople vode za
industrijske procese i proizvodnju električne energije.
Solarne toplinske elektrane proizvode električnu energiju korištenjem vode ili drugog
medija koji se zagrijava solarnim toplinskim kolektorom. Pri tome se koriste visokotemperaturni
kolektori te zrcala ili leće za koncentriranje Sunčevog zračenja. Princip rada je kao i kod klasične
termoelektrane. Sunčevo zračenje može biti jedini izvor energije, a može se koristiti i dodatni
izvor, npr. zemni plin ili biomasa. Za temperature niže od 600°C koristi se parna turbina, a za
više temperature plinska. Umjesto vode može se koristiti i medij većeg toplinskog kapaciteta, u
praksi smjesa rastaljenog natrijevog i kalijevog nitrata ili rastaljeni natrij [12]. Tada se toplina
može i akumulirati i koristiti za proizvodnju električne energije prema potrebama mreže.
Efikasnost solarnih toplinskih elektrana je relativno niska – samo 10% - 30% energije Sunčevog
zračenja se pretvara u električnu energiju [2]. To se događa jer u ciklusu postoje mnogi gubici –
energija se gubi na zrcalima, kolektoru, apsorberu, prijenosu topline, turbini i generatoru.
Solarne toplinske elektrane ekološki su vrlo prihvatljiv izvor energije jer nema emisija u okoliš
(ne računajući trošak izgradnje) ni drugih štetnih utjecaja, a cijenom energije mogu konkurirati
fosilnim gorivima. Najveći nedostatak im je što zauzimaju veliku površinu u odnosu na
proizvedenu energiju. Zato se solarne toplinske elektrane često grade u pustinjama.
Slika 15. Shema solarne toplinske elektrane sa zemnim plinom kao dodatnim izvorom
26
Sunčeva energija može se izravno pretvarati u električnu energiju korištenjem
fotonaponskih (solarnih) ćelija. Rad solarnih ćelija zasniva se na fotoelektričnom efektu – pojavi
da fotoni svjetlosti ili drugog elektromagnetskog zračenja izbacuju elektrone iz valentne u
vodljivu vrpcu materijala. Fotoni su čestice elektromagnetskog zračenja i njihova energija
proporcionalna je frekvenciji, a obrnuto proporcionalna valnoj duljini zračenja. Kada foton
padne na materijal, može proći kroz njega, biti odbijen (reflektiran) ili upijen (apsorbiran). Foton
će biti apsorbiran ako je njegova energija jednaka ili veća od razlike energija između dviju
energijskih razina elektrona u materijalu. Tada će energija fotona biti dijelom utrošena na
izbijanje elektrona iz atoma, a dijelom preći u kinetičku energiju elektrona Na mjestu gdje je
elektron izbijen ostat će u materijalu šupljina koju možemo smatrati nosiocem pozitivnog naboja.
Solarna ćelija načinjena je od dva sloja poluvodičkog materijala: n – sloja, obogaćenog
(dopiranog) primjesama donora, tj. materijala koji lako može otpustiti elektron, i p – sloja,
dopiranog primjesama akceptora, materijala koji lako može primiti elektron susjednog atoma,
čime nastaju šupljine. Na mjestu kontakta dvaju slojeva doći će do difuzije elektrona iz n – sloja
u p – sloj, ali ne do izjednačavanja koncentracija jer će se nagomilati pozitivni naboj na n – strani
spoja i negativni na p – strani spoja. To gomilanje stvorit će difuziju suprotnog smjera koja će
biti u ravnoteži s prvotnom difuzijom. Zbog toga će, djelovanjem Sunčevog zračenja, na
n – sloju ostati višak elektrona, a na p – sloju višak šupljina, što će stvoriti električno polje i
razliku potencijala (napon). Spojimo li krajeve ćelije vodičem, poteći će struja elektrona iz
n – sloja u p – sloj. Struja će nositi energiju koja se može korisno upotrijebiti.
Fotonaponska ćelija je temeljna gradivna jedinica fotonaponskog sustava [1]. Dimenzije
pojedine ćelije su 1 – 10 cm, a snaga 1 – 2 W, premalo za većinu primjena. Zato se ćelije
električki povezuju u module zaštićene od atmosferskih utjecaja. Moduli se mogu dalje
povezivati u nizove. Niz je cjelokupno proizvodno postrojenje sastavljeno od jednog do nekoliko
tisuća modula (ovisno o potrebnoj snazi).
Glavne prednosti fotonaponskih sustava su izravnost pretvorbe, modularnost i
jednostavnost korištenja i održavanja [1]. Zahvaljujući izravnosti pretvorbe Sunčeve u električnu
energiju nisu potrebni veliki mehanički sustavi generatora. Modularnost znači da je moguće brzo
instalirati nove module ako je potrebno povećati snagu. Korištenje i održavanje fotonaponskih
sustava je jednostavno jer nema pokretnih dijelova i nije potrebno koncentriranje zračenja budući
da solarne ćelije koriste i izravno i difuzno Sunčevo zračenje.
Za gradnju fotonaponskih ćelija koriste se poluvodički materijali : silicij (monokristalni,
polikristalni, amorfni), germanij, galijev arsenid, kadmijev telurid i drugi. Za dopiranje silicija
koriste se fosfor kao donor i bor kao akceptor [1].
27
Ćelije od monokristalnog i polikristalnog silicija imaju duljinu i širinu od 5 – 10 cm i
debljinu 0,2 – 0,3 mm. Elektromotorna sila im je 0,55 – 0,7 V, teorijska efikasnost 16% – 25%, a
stvarna 10% – 13,5% [1]. Njihova jedina mana je visoka cijena proizvodnje zbog skupog
tehnološkog postupka. Poseban problem predstavlja vijek trajanja solarnih ćelija koje su izložene
atmosferskim utjecajima (kiša, snijeg, tuča). Tehnologija proizvodnje brzo napreduje pa i cijena
proizvodnje opada.
Radi smanjenja cijene razvija se tehnologija tankih filmova. Materijali koji se koriste su
amorfni silicij i neki spojevi, npr. bakrov indijev selenid. Takve ćelije imaju nižu cijenu, ali i niži
stupanj efikasnosti.
Ćelije od galijevog arsenida prave se u obliku tankog filma od jedne (GaAs) ili dviju
komponenata (GaAs + Cu2S). Takve ćelije bi prema teorijskim predviđanjima trebale biti vrlo
efikasne. Teorijska efikasnost im je 25% – 40%, a najviša postignuta stvarna efikasnost 28,8%,
što je rekord za solarne ćelije [13]. Glavni nedostatak im je visoka cijena.
Tehnologija fotonaponskih ćelija nudi velike mogućnosti razvoja. Istražuje se gradnja
ćelija od organskih materijala, primjena nanostruktura, kvantnih efekata, dvosmjernih pretvorbi i
slično s ciljem podizanja efikasnosti na 30 do 60%.
Teorijska efikasnost solarnih ćelija ovisi o iskorištenju spektra Sunčevog zračenja. Radi
korištenja što većeg dijela spektra proizvode se ćelije građene od više poluvodičkih materijala od
kojih svaki koristi jedan dio spektra.
Slika 16. Fotonaponske ćelije izvor su energije na satelitima
Uporaba fotonaponskih ćelija ograničena je njihovom zasad visokom cijenom. Ipak, i one
nalaze svoju primjenu. Koriste se kao izvor energije za satelite, gdje su bolji od baterija jer se ne
mogu potrošiti. U svemiru je snaga Sunčevog zračenja i proizvedena energija mnogo veća jer
nema apsorpcije zračenja u atmosferi. Fotonaponske ćelije se koriste i za svjetleće prometne
znakove, parkirne automate, kalkulatore, ručne satove i slične uređaje. Dolaze u obzir i kao izvor
energije u udaljenim i rijetko naseljenim područjima i na vikendicama daleko od naseljenih
28
mjesta. Primjena solarnih ćelija kao izvora energije za javnu električnu mrežu trenutno je
isplativa samo uz visoke poticaje, no očekuje se da će postati isplativija kroz tehnološki razvoj.
Fotonaponske ćelije problematične su s ekološkog stajališta [1]. Poluvodiči od kojih su
izrađene sadrže teške metale, pa se tretiraju kao specijalni otpad pri odstranjivanju. Pri izradi
dijelova koriste se za okolinu vrlo neugodne kiseline. Tijekom korištenja solarnih ćelija dolazilo
je do požara, koji su prouzrokovali širenje toksičnih sastojaka. Utrošak energije za proizvodnju
ćelija je velik. S druge strane, fotonaponski sustavi su pouzdani, ne zahtjevaju vodu za hlađenje i
nema emisije štetnih plinova. Osnovni nedostatak veće primjene ostaje visoka cijena, za koju se
očekuje da će postati prihvatljiva s razvojem tehnologije.
29
6. ENERGIJA VJETRA
Vjetar je gibanje velike mase zraka. Gibanje može biti horizontalno ili vertikalno.
Uzrokuje ga razlika u tlakovima zraka na različitim mjestima, pri čemu vjetar puše s mjesta
višeg tlaka na mjesto nižeg tlaka. Razlika tlakova posljedica je razlike temperatura, stoga
energiju vjetra možemo smatrati transformiranom Sunčevom energijom. Osim razlike tlakova na
vjetar utječu i rotacija Zemlje i konfiguracija tla. Brzina vjetra vrlo se brzo povećava s visinom
iznad tla – omjer brzina obično se približno računa kao peti korijen omjera visina iznad tla [2].
Energija vjetra danas se koristi za proizvodnju električne energije pomoću vjetroturbina.
Energija vjetra je kinetička energija, dakle iznosi # = �� $"�. Kako je masa proteklog zraka
jednaka umnošku volumena i gustoće, za energiju vjetra dobiva se [1] :
# = 12 $"� = 1
2 '�"� = 12 'd";
gdje je ρ gustoća zraka, A površina rotora turbine, a v brzina vjetra, dakle energija vjetra
proporconalna je trećoj potenciji brzine! Kako je gustoća zraka približno 1,25 kg/m3, energija
vjetra je # = 0,625 d"; . Zrak mora strujati i iza turbine da napravi mjesta zraku koji nadolazi,
pa je moguće iskoristiti samo energiju koja je proporcionalna razlici brzina na treću :
# = 0,625 ∙ d ∙ "� − "�!�. Može se pokazati da je zbog ovog razloga maksimalna enegija koja
se može dobiti djelovanjem zračne turbine jednaka �1�r energije vjetra [1]. Maksimalni stupanj
djelovanja turbine je 0,65 , a generatora 0,8 [1], pa za maksimalnu energiju vjetra vrijedi :
# = 1627 ∙ 0,65 ∙ 0,8 ∙ 0,625 ∙ d ∙ "; = 0,193 ∙ d ∙ ";
Dakle, samo 31% (0,193/0,625) energije vjetra pretvara se električnu energiju. Često se za
proračun energije umjesto površine uvrštava promjer turbine (D). Energija tada iznosi :
# = 0,193 ∙ s� ∙ t4 ∙ "; = 0,152 ∙ s� ∙ ";
Međutim, graf ovisnosti proizvodnje energije o brzini vjetra nije jednak grafu kubne
funkcije. Postoje četiri odstupanja, vidljiva na slici 17, a svako smanjuje ukupnu proizvodnju
energije u vjetroturbini :
30
Slika 17. Graf ovisnosti proizvodnje energije o brzini vjetra
Kao prvo, postoji startna brzina – minimalna brzina na kojoj je moment sile na lopatice turbine
dovoljan da bi se ona počela okretati. Iznad te brzine proizvedena energija je u početku
proporcionalna trećoj potenciji brzine, no pri većim brzinama graf ima manji nagib zbog
smanjivanja stupnja djelovanja turbine i generatora. Daljnjim povećanjem brzine dostiže se
maksimalna snaga generatora i proizvedena energija više ne raste povećanjem brzine. Brzina
rotacije održava se jednakom zakretanjem lopatice radi promjene kuta između smjera vjetra i
turbine i time smanjenja okomite komponente vjetra. Konačno, postoji i maksimalna brzina
iznad koje se generator isključuje jer bi ga daljnji rad mogao oštetiti.
Najveći problem kod korištenja energije vjetra je velika varijabilnost brzine vjetra u
prostoru i vremenu. Varijabilnost brzine u vremenu problem je jer se električna energija mora
potrošiti u istom trenutku kad se proizvede zbog nemogućnosti značajnijeg skladištenja.
Varijabilnost u prostoru problem je pri planiranju izgradnje vjetroelektrana. Kada se želi odrediti
statistika vjetra za neku lokaciju, mogu se provesti mjerenja na toj lokaciji ili uzeti podatke s
drugih bliskih sličnih lokacija ili oboje. Problem s mjerenjem na samoj lokaciji je što je gotovo
uvijek vrijeme mjerenja prekratko jer bi bilo potrebno mjerenje od najmanje jedne godine da bi
se utvrdile sezonske varijacije, a poželjno i više jer nije svaka godina klimatski ista. Zbog toga
treba statistiku dobivenu mjerenjem korelirati s bliskim i sličnim lokacijama na kojima se
mjerenje vrši dulje jer je tamo postojeća vjetroelektrana ili meteorološka stanica. Problem s
korištenjem tih podataka je da oni ne odgovaraju zbog različite konfiguracije tla te prepreka.
Zbog toga su razvijene korelacijske metode koje to uzimaju u obzir.
Osnovni dijelovi vjetroturbine su temelji, toranj, kućište i lopatice rotora. U kućištu se
nalaze uređaj za pozicioniranje, osovina rotora, uređaj za prijenos, generator i kontrolni uređaji
[1].
31
Slika 18. Vjetroturbina kod Hong Konga u Kini
Princip rada vjetroturbine je jednostavan. Vjetar okreće lopatice rotora na koje je spojena
osovina rotora. Rotacija osovine prenosi se na rotor generatora uređajem za prijenos koji
funkcionira slično kao mjenjač automobila. Njegova je uloga pretvoriti sporo okretanje lopatica
s velikim momentom sile u brzo okretanje rotora generatora s manjim momentom sile jer
generatori rade na većem broju okretaja od tipičnog za vjetroturbinu. Uloga generatora je
pretvorba mehaničke energije u električnu, koja se predaje električnoj mreži. Većina
vjetroturbina ima uređaj za pozicioniranje koji zakreće turbinu tako da os rotacije lopatica bude
okomita na smjer vjetra, jer je tada iskorištenje energije vjetra maksimalno. Pri prevelikoj brzini
vjetra koja može oštetiti generator uređaj će zakrenuti turbinu tako da se smanji komponenta
brzine vjetra okomita na os rotacije lopatica, a aktivirat će se i kočnice.
Vjetroturbine se dijele na male, srednje i velike [1]. Male turbine imaju snagu 1 – 30 kW
i služe za proizvodnju električne energije na dalekim izoliranim lokacijama. Odnos cijene i snage
turbine najnepovoljniji je kod malih turbina. Srednje turbine imaju snagu 30 – 650 kW, a velike
u pravilu 650 kW – 1,5 MW, ali postoje turbine snage i do 8 MW. Velike turbine su
najisplativije po omjeru cijene i snage turbine. Srednje i velike turbine služe za proizvodnju
električne energije za javnu mrežu. Vjetroelektrane se u pravilu sastoje od više desetaka, pa i
stotina turbina i mogu imati snagu od više stotina, pa i tisuća megavata. Vjetroelektrane se grade
na kopnu, ali i na morskoj pučini. Gradnja pučinskih vjetroelektrana je skuplja zbog visoke
cijene temelja turbina, ali isplativa jer je vjetar na pučini jači.
Velika varijabilnost i slaba predvidljivost brzine vjetra veliko je ograničenje pri
integraciji vjetroelektrana u mrežu [1]. Varijabilnost se može smanjiti instaliranjem
32
vjetroelektrana na širokom području. Slaba predvidljivost može se popraviti korištenjem
poboljšanih metoda predviđanja vremena. Ipak, vjetroelektrane ne mogu biti bazne elektrane
elektroenergetskog sustava. Sustav mora imati dovoljnu snagu u baznim elektranama
(termoelektrane, velike hidroelektrane, nuklearne elektrane) da pokrije vršno opterećenje mreže.
Stoga vjetroelektrane ne mogu smanjiti izgradnju termoelektrana i nuklearnih elektrana, već
samo smanjiti potrošnju goriva u njima. Još jedan problem s integracijom vjetroelektrana u
električnu mrežu je što su povoljne lokacije za gradnju ponekad udaljene od mreže, pa u
troškove treba uračunati i gradnju vodova do elektrane.
Vjetar je ekološki vrlo prihvatljiv izvor energije. Nema emisija u okolinu, a proizvedena
energija mnogo je veća od energije utrošene za izgradnju elektrane. Ekološke štete primjene
energije vjetra su ozljede ptica, buka i zauzimanje prostora te promjena izgleda krajolika, no te
štete nisu velike i mogu se kontrolirati.
33
7. GEOTERMALNA ENERGIJA
Geotermalna energija je toplinska energija koja potječe sa Zemlje. To je dijelom izvorna
toplina iz doba kad je Zemlja nastala, a dijelom proizvod nuklearnih reakcija koje se odvijaju u
Zemljinoj jezgri. Zemlja je nastala prije otprilike 4,5 milijarde godina i bila je u početku vruća i
sastavljena od tekuće lave. Hlađenjem se formirala Zemljina kora debljine oko 50 km i ispod nje
omotač, koji je također čvrst, dok je Zemljina jezgra tekuća. Temperatura u središtu Zemlje je
oko 6 000 °C. Temperatura Zemlje se od središta do površine kontinuirano smanjuje. U
Zemljinoj jezgri odvijaju se nuklearne reakcije fisije koje su dodatni izvor topline. Procjenjuje se
da 60% geotermalne energije potječe od izvorne topline iz doba nastanka Zemlje, a 40% od
nuklearnih reakcija [2]. Toplina se od središta Zemlje prema površini prenosi na dva načina :
kondukcijom (vođenjem), tj. bez prijenosa tvari, i konvekcijom, uz prijenos materije, kroz
tektonska gibanja. Prijenos topline kondukcijom tipičan je za koru, a konvekcijom za omotač.
Prijenos topline je spor. Toplini iz 100 km dubine treba oko 100 milijuna godina da dođe do
površine [2].
Moguće primjene geotermalne energije vezane su za temperaturni gradijent, jer se
toplinska energija može koristiti samo ako postoji razlika u temperaturi. Temperaturni gradijent
povećava se s dubinom. Prosječni temperaturni gradijent Zemlje je 1 °C/33 m , a Zemljine kore
0,3 °C/ 33 m [1]. Prosječna dnevna količina topline koja se dovodi na površinu iznosi od 3,3 do
7,5 kJ/m2 na dan [2]. Za čitavu Zemlju to daje 2,8·1015 kJ/m2 na dan. Iskoristivom se načelno
smatra geotermalna energija do dubine 3 km, iako se provode i eksperimenti s bušenjima do 10
km. Tek oko 1% iskoristive geotermalne energije ima potencijal za proizvodnju električne
energije [2].
Geotermalna energija dolazi u obliku tople vode, vodene pare i toplih stijena. Moguće
primjene su izravna uporaba izvora vruće vode i vodene pare, crpljenje tople podzemne vode i
primjena energije suhih stijena utiskivanjem hladne i crpljenjem tople vode. [2]
Slika 19. Izvor vruće vode i pare na Sumatri u Indoneziji
34
Voda i vodena para iz površinskih izvora ima temperaturu do 370 °C [2]. Može se
koristiti za proizvodnju električne energije, grijanje, hlađenje i potrošnu toplu vodu za kućanstva
ako postoje potrošači u blizini izvora, bazene (toplice) te za razne industrijske procese. U tablici
(preuzeto iz [2]) su navedeni neki industrijski procesi i temperatura pri kojoj se odvijaju.
DJELATNOST TEMPERATURA (°C)
Prerada mesa 60 – 93
Proizvodnja sira 38 – 93
Prerada mlijeka 71 – 204
Dehidracija voća i povrća 71 – 177
Zamrzavanje voća i povrća 77 – 10
Sušenje žitarica 49 – 175
Rafiniranje šećerne repe 60 – 134
Proizvodnja jestivog ulja 71 – 204
Proizvodnja piva 76 – 204
Destilacija žestokih pića 99 – 204
Proizvodnja cigareta 104
Prerada pamuka 93 – 135
Proizvodnja papira 99 - 188
Tablica 1. Industrijski procesi i temperature pri kojima se odvijaju
Tople podzemne vode mogu se i crpiti električnim crpkama. Takvi sustavi koriste se
pretežno za grijanje, hlađenje i potrošnu toplu vodu u kućanstvima. Dubina bušotina je do 150
metara. Sva iscrpljena voda mora se i vratiti u izvor da bi se osigurala obnovljivost. Toplinska
energija dostupna ispod površine kuće je i do 1 000 puta veća od potreba za toplinskom
energijom pa se može smatrati neograničenom. Potrošnja električne energije je 3 do 5 puta manja
od iskorištene toplinske energije [2]. Početna investicija u sustav isplati se za 3 do 10 godina,
ovisno o potrošnji. Jednom instaliran sustav ne treba gotovo nikakvo održavanje, no mogu se
događati kvarovi, poput smrzavanja vode u cijevima, koji zahtijevaju popravak.
Geotermalna energija može se koristiti za proizvodnju električne energije. To je jedini
način njene primjene kojim se energija može trošiti daleko od geotermalnih izvora. Postoje tri
35
vrste geotermalnih elektrana. To su elektrane na suhu paru, elektrane s isparavanjem i elektrane
s binarnim ciklusom [11]. Elektrane na suhu paru najstarija su vrsta geotermalnih elektrana i
koriste se kod izvora koji sadrže pretežno vodenu paru. Para iz izvora izravno pokreće turbinu i
zatim se kondenzira i vraća u obliku vode pod zemlju. Dio pare odlazi u okoliš, no to je
praktično jedina emisija. Elektrane s isparavanjem koriste kao izvor energije vruću vodu pod
tlakom. Voda se injektira u spremnik koji se drži pod niskim tlakom. Zbog pada tlaka dio vode
naglo isparava i para pokreće turbinu. Para se potom kondenzira i vraća u izvor, a dio odlazi u
okoliš. Efikasnost takve elektrane može se povećati ako se voda preostala u prvom spremniku
injektira u drugi, čime se dobiva još pare. Elektrane s binarnim ciklusom mogu se koristiti i ako
je temperatura izvora manja od 200 °C. Kod njih se osim vode koristi i drugi fluid mnogo niže
temprerature vrelišta, npr. propan ili amonijak. Topla voda i fluid dovode se u izmjenjivač
topline bez fizičkog miješanja. Toplina vode prelazi na fluid i uzrokuje njegovo isparavanje, a
pare fluida pokreću turbinu. I voda i radni fluid su u zatvorenom ciklusu, tako da praktično nema
emisija u okoliš. Ovaj tip geotermalnih elektrana u budućnosti će biti najčešći, jer većina
geotermalnih izvora ima temperaturu nižu od 200 °C.
Slika 20. Tipovi geotermalnih elektrana – na suhu paru, s isparavanjem, s binarnim ciklusom
Energija vrućih stijena može se iskoristiti utiskivanjem hladne i crpljenjem tople vode iz
tla. Primjene su slične kao i kod izvora vruće vode i pare. Vruće stijene otkrivaju se postupkom
seizmičke tomografije.
Geotermalna energija vrlo je jeftina za korištenje jednom kad se napravi bušotina.
Međutim, ispitivanja i bušenja su skupa, a kvaliteta izvora nesigurna, stoga je ulaganje u
geotermalnu energiju visoko rizično [2]. Svojstva vode i pare iz nalazišta ovise o solima i
plinovima otopljenima u njoj te kiselosti vode. Neke se tvari izdvajaju iz vode (nakon
kondenzacije) i prodaju, npr. cink i drugi metali te sumporovodik. Značajan tehnički problem
predstavljaju i odvajanje pare od vode i injektiranje hladne vode.
36
Geotermalna energija ekološki je prihvatljiv izvor energije. Nema emisija u okoliš osim
vodene pare i vrlo malih količina plinova poput sumporovodika i ugljičnog dioksida. Radi
obnovljivosti je potrebno vraćati ohlađenu vodu u zemlju, a ponekad i injektirati svježu vodu.
Osnovna zapreka većoj primjeni su skupa istraživanja i bušenja. Nužno je daljnje usavršavanje
tehnologije i u pogledu otkrivanja geotermalnih izvora i u pogledu korištenja geotermalne
energije.
37
8. ZAKLJUČAK
Obnovljivi izvori energije još uvijek čine malen dio ukupne svjetske proizvodnje
energije, pogotovo ako ne računamo konvencionalne obnovljive izvore – ogrjevno drvo i velike
hidroelektrane. Međutim, njihova primjena se sve više povećava, što je nužno zbog klimatskih
promjena i smanjivanja zaliha fosilnih goriva. Očekuju se znatan napredak u tehnologiji
korištenja obnovljivih izvora jer je u nju uloženo mnogo manje novca nego u tehnologiju
proizvodnje i korištenja fosilnih goriva te nuklearnu tehnologiju. Uporaba energije vodotokova
za proizvodnju električne energije je najisplativija i odavno je konvencionalan izvor, no gradnja
velikih hidroelektrana znatno mijenja okoliš. Osim toga, u razvijenim zemljama većina pogodnih
lokacija za velike hidroelektrane je iskorištena. Međutim, postoji velik potencijal za gradnju
malih hidroelektrana, koje su i ekološki prihvatljivije jer ne utječu pretjerano na okoliš. Znatan
neiskorišten potencijal imaju i elektrane na plimu i oseku, morske struje i valove. Energija
biomase najviše se koristi u obliku ogrjevnog drva. No mogu se koristiti i otpad iz drvne
industrije, poljoprivredni ostaci i komunalni otpad. Od biomase se rasplinjavanjem može dobiti
plin i time povećati proizvodnju električne energije jer je korisnost plinskih turbina veća od
parnih. Od životinjskog izmeta može se proizvoditi bioplin. Od biljaka bogatih ugljikohidratima
ili mastima proizvode se i automobilska goriva – bioetanol i biodizel. Ta goriva ne doprinose
emisijama CO2 jer je ispuštena količina jednaka količini koju je biljka potrošila tijekom rasta.
Uvjet održivosti uporabe šumske biomase je da iskorištena količina bude manja ili jednaka
prirastu. Energija Sunčevog zračenja koristi se kao toplinska energija i za proizvodnju električne
energije u solarnim termalnim elektranama i pomoću fotonaponskih panela. Korištenje toplinske
energije je isplativo. Fotonaponski paneli vrlo su skupi u odnosu na snagu i stoga takva
proizvodnja uglavnom nije isplativa, ali razvojem tehnologije doći će do pada cijena i povećanja
efikasnosti. Korištenje energije vjetra za proizvodnju električne energije ima najmanji utjecaj na
okolinu. Glavna zapreka većoj primjeni je velika varijabilnost i slaba predvidljivost brzine vjetra
jer električnu energiju nije moguće efikasno skladištiti. Geotermalna energija se koristi kao
toplinska energija u blizini izvora, a na veće udaljenosti samo proizvodnjom električne energije u
geotermalnim elektranama. Oboje je vrlo ekološki prihvatljivo, no ulaganje u geotermalnu
energiju je rizično jer je cijena ispitivanja i bušenja visoka, a kvaliteta izvora upitna. Ovdje
također postoji veliki potencijal za napredak na područjima otkrivanja izvora i korištenja
geotermalne energije.
38
9. LITERATURA
[1] Šljivac, D.; Šimić Z. Obnovljivi izvori energije s osvrtom na štednju, Elektrotehnički
fakultet Osijek, 2007.
[2] Šljivac, D. Osnove energetike i ekologije: Nastavni materijali, Elektrotehnički fakultet
Osijek, 2005.
[3] Planinić, J. Osnove fizike I : Mehanika, Pedagoški fakultet Osijek, 2003.
[4] Vuković, B. Osnove fizike IV – kalorika, struktura tvari URL :
fizika.unios.hr/~branko/OF4b.ppt
[5] Švedek, T. Poluvodičke komponente i osnovni sklopovi. Dio 1: Poluvodičke
komponente, Graphis, Zagreb, 2001.
[6] The International Energy Agency, URL : http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/key-world-energy-statistics-2014.html
[7] The Encyclopedia of Alternative Energy and Sustainable Living, URL: http://www.daviddarling.info/encyclopedia/AEmain.html
[8] http://www.zelenaenergija.org/
[9] http://www.gasification.org/
[10] http://web.archive.org/web/20110309140814/http://www.rise.org.au/info/Tech/lowtemp/
hotwatersys.html
[11] http://energyalmanac.ca.gov/renewables/geothermal/types.html
[12] https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_energy#Heat_storage_to_stabilize_solar-
electric_power_generation
[13] http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=6317891
Prilozi
1. Slika 1. Potrošnja energije u svijetu 1820. – 2000. po izvorima: Šljivac, D. Osnove
energetike i ekologije: Nastavni materijali, Elektrotehnički fakultet Osijek, 2005.
2. Slika 2. Udio izvora energije u ukupnoj potrošnji:
http://www.energybc.ca/matters/historyofenergyuse.html
3. Slika 3. Najveći potrošači energije u 2001. i 2011.:
http://theenergyharbinger.com/2012/07/26/global-energy-consumption-trends/
4. Slika 4. Potrošnja energije po sektorima:
http://energyconservation.wiki.lovett.org/Increasing+Energy+Efficiency
39
5. Slika 5. Potrošnja energije u kućanstvima: http://www.pbs.org/america-
revealed/teachers/lesson-plan/7/
6. Slika 6. Brana hidroelektrane Tri klisure u Kini: Šljivac, D. Osnove energetike i
ekologije: Nastavni materijali, Elektrotehnički fakultet Osijek, 2005.
7. Slika 7. Primjer krivulje trajanja protoka:
http://www.crwr.utexas.edu/gis/gishydro09/using_an_HIS.html
8. Slika 8. Pojednostavljena shema hidroelektrane:
https://en.wikipedia.org/wiki/Hydroelectricity
9. Slika 9. Akciona i reakciona turbina: Šljivac, D. Osnove energetike i ekologije: Nastavni
materijali, Elektrotehnički fakultet Osijek, 2005.
10. Slika 10. Peltonova, Francisova i Kaplanova turbina:
http://rivers.bee.oregonstate.edu/book/export/html/35
11. Slika 11. Postrojenje za proizvodnju bioplina:
http://www.osatina.hr/hr/index.php?option=com_content&view=article&id=87:bioplin&
catid=44:izdvojeno
12. Slika 12. Kumulativna neutralnost biomase: Šljivac, D. Osnove energetike i ekologije:
Nastavni materijali, Elektrotehnički fakultet Osijek, 2005.
13. Slika 13. Vrste rasplinjavanja:
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2009/ee/b808138g/unauth#!divAbstract
14. Slika 14. Tipovi solarnih kolektora: Šljivac, D. Osnove energetike i ekologije: Nastavni
materijali, Elektrotehnički fakultet Osijek, 2005.
15. Slika 15. Shema solarne toplinske elektrane: http://www.electronicshub.org/working-and-
benefits-of-solar-power-plant/
16. Slika 16. Fotonaponske ćelije na satelitu:
http://www.satnews.com/story.php?number=1077377852
17. Slika 17. Dijagram ovisnosti proizvodnje energije o brzini vjetra: http://www.wind-
power-program.com/wind_statistics.htm
18. Slika 18. Vjetroturbina kod Hong Konga u Kini:
https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine
19. Slika 19. Izvor vruće vode i pare na Sumatri u Indoneziji: Šljivac, D. Osnove energetike i
ekologije: Nastavni materijali, Elektrotehnički fakultet Osijek, 2005.
20. Slika 20. Tipovi geotermalnih elektrana:
http://www.c2es.org/technology/factsheet/geothermal
40
ŽIVOTOPIS
Rođen sam 8. listopada 1986. g. u Osijeku, a živim u Ladimirevcima. Završio sam
osnovnu školu u Ladimirevcima i opću gimnaziju u Srednjoj školi Valpovo 2005. g. Upisao
sam se na preddiplomski studij fizike Odjela za fiziku Sveučilišta u Osijeku 2011. g.