Skripta iz Uvoda u energetiku (obnovljivi i neobnovljivi izvori energije).pdf
EmirZei
53 views
137 slides
Dec 19, 2024
Slide 1 of 137
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
About This Presentation
Skripta uvod u energetiku
Slide Content
UVOD U ENERGETIKU
1
1
UVOD U ENERGETIKU
2
Energija se sve više smatra jednim od ključnih faktora budućeg razvoja Zemlje. Glavni izvor
energije još uvijek su fosilna goriva koja daju 80 – 90% energije. Najznačajnija je nafta koja se
koristi oko 35%, zatim slijede ugalj i prirodni gas koji su podjednako zastupljeni. Tek 3.3%
energije dobivamo iz obnovljivih izvora energija, a gotovo 8% dobiva se iz nuklearnih
elektrana. Sve više se govori o obnovljivim izvorima energije, jer naučnici upozoravaju na
katastrofalne posljedice zbog globalnog zatopljenja i onečišćenja okoline. Neobnovljivi izvori
energije postaju sve skuplji i s vremenom, kada se iscrpe gotovo sve zalihe, postati će
„luksuzna roba“. Ljudi su naprosto prisiljeni tražiti druge i jeftinije izvore energije. Povećanje
upotrebe ovakvih izvora energije zasigurno će promjeniti energetske navike građana. U
svemiru ne postoje tijela i sistemi koji ne posjeduju energiju. Energija se ne može uništiti, ona
prelazi iz jednog oblika u drugi, s jednog tijela na drugo i uvijek u skladu sa zakonom očuvanja
energije. Postoje mnogi oblici energije koje dolaze do izražaja kod proučavanja različitih
naučnih problema: kinetička energija, potencijalna energija, toplotna energija, unutrašnja
energija, električna energija, hemijska energija i druge.
1.1. OPĆENITO O ENERGIJI
Energija (grč. energos rad, učinak) je djelotvorna sila, životna djelatnost, odlučnost,
odrješitost. Energija, u fizici (oznaka E), je sposobnost nekoga tijela ili sistema da obavi neki
rad; veličina koja karakteriše kretanje, mirovanje ili položaj tijela, tekućine, čestice ili sistema
čestica, te veličina za opis čestica polja koje prenose prirodne sile i međudjelovanja čestica.
Prema međunarodnom sistemu mjernih jedinica, u čast engleskom fizičaru James Prescott
Joule-u (1818 - 1889), mjerna jedinica za energiju nazvana je džul (J). Energija se može javljati
u različitim oblicima (hemijska, mehanička, električna, svjetlosna, itd.). U prirodno filozofskom
smislu, energija zajedno s tvari daje pojam materije. Energija se u prirodi, tehnici i industriji
pojavljuje u različitim oblicima, koji se pretvaraju jedan u drugi po načelu očuvanja energije:
ona se ne može potrošiti ni stvoriti, već samo promijeniti svoj oblik, slika 1.1. U gravitacijskom
polju Zemlje, da bi se tijelo pomaklo po nekom proizvoljnom putu, treba obaviti rad dizanja.
Slika 1.1. Munja – oslobađanje ogromne količine energije u kratkom vremenu
2
Energija se sve više smatra jednim od ključnih faktora budućeg razvoja Zemlje. Glavni izvor
energije još uvijek su fosilna goriva koja daju 80 – 90% energije. Najznačajnija je nafta koja se
koristi oko 35%, zatim slijede ugalj i prirodni gas koji su podjednako zastupljeni. Tek 3.3%
energije dobivamo iz obnovljivih izvora energija, a gotovo 8% dobiva se iz nuklearnih
elektrana. Sve više se govori o obnovljivim izvorima energije, jer naučnici upozoravaju na
katastrofalne posljedice zbog globalnog zatopljenja i onečišćenja okoline. Neobnovljivi izvori
energije postaju sve skuplji i s vremenom, kada se iscrpe gotovo sve zalihe, postati će
„luksuzna roba“. Ljudi su naprosto prisiljeni tražiti druge i jeftinije izvore energije. Povećanje
upotrebe ovakvih izvora energije zasigurno će promjeniti energetske navike građana. U
svemiru ne postoje tijela i sistemi koji ne posjeduju energiju. Energija se ne može uništiti, ona
prelazi iz jednog oblika u drugi, s jednog tijela na drugo i uvijek u skladu sa zakonom očuvanja
energije. Postoje mnogi oblici energije koje dolaze do izražaja kod proučavanja različitih
naučnih problema: kinetička energija, potencijalna energija, toplotna energija, unutrašnja
energija, električna energija, hemijska energija i druge.
1.1. OPĆENITO O ENERGIJI
Energija (grč. energos rad, učinak) je djelotvorna sila, životna djelatnost, odlučnost,
odrješitost. Energija, u fizici (oznaka E), je sposobnost nekoga tijela ili sistema da obavi neki
rad; veličina koja karakteriše kretanje, mirovanje ili položaj tijela, tekućine, čestice ili sistema
čestica, te veličina za opis čestica polja koje prenose prirodne sile i međudjelovanja čestica.
Prema međunarodnom sistemu mjernih jedinica, u čast engleskom fizičaru James Prescott
Joule-u (1818 - 1889), mjerna jedinica za energiju nazvana je džul (J). Energija se može javljati
u različitim oblicima (hemijska, mehanička, električna, svjetlosna, itd.). U prirodno filozofskom
smislu, energija zajedno s tvari daje pojam materije. Energija se u prirodi, tehnici i industriji
pojavljuje u različitim oblicima, koji se pretvaraju jedan u drugi po načelu očuvanja energije:
ona se ne može potrošiti ni stvoriti, već samo promijeniti svoj oblik, slika 1.1. U gravitacijskom
polju Zemlje, da bi se tijelo pomaklo po nekom proizvoljnom putu, treba obaviti rad dizanja.
Slika 1.1. Munja – oslobađanje ogromne količine energije u kratkom vremenu
UVOD U ENERGETIKU
3
1.1.1. Primarna i sekundarna energija
Izvori energije koje koristimo, osim geotermalne i nuklearne energije, su se u početku dobivale
iz solarne energije. Fosilna goriva koja danas koristimo - ugalj, nafta, i prirodni gas, dobiveni
su od organizama (okeanskih planktona), koji su rasli nekoliko stotina miliona godina.
Obnovljive energije: hidroenergija, biomasa, i vjetar su također direktno i indirektno dobivene
od energije sunca, slika 1.2.
Slika 1.2. Porijeklo različitih izvora energije koje ljudi koriste
Primarna energija je oblik energije uzet iz prirode bez pretvaranja ili procesa transformacije.
To je energija sadržana u hemijskom potencijalu fosilnih goriva, drva ili biomase, nuklearnoj
energiji, kinetičkoj energiji vjetra, potencijalnoj energiji vodenih tokova ili toplotnoj energiji
geotermalnih izvora. Izvori primarne energije mogu biti obnovljivi ili neobnovljivi. U energetici,
primarni izvori energije se odnose na oblike energije koje zahtijeva energetski sektor za
opskrbu energentima potrebnim ljudskom društvu.
Sekundarna energija je dobivena energetskim pretvaranjem (transformacijom) iz primarne
energije (npr. elektična energija dobivena iz uglja u termoelektrani).
Također možemo razlikovati obnovljivu i neobnovljivu energiju. Neobnovljiva energija se
nalazi u ograničenim količinama na zemlji. Uranijum, koji dolazi iz zvjezdane prašine, je bio
prisutan u formaciji zemlje (prije oko 4.5 biliona godina) i kao fosilno gorivo (ugalj, prirodni
gas, sirova nafta, nafta iz škriljaca, itd.). Za razliku od neobnovljive energije, obnovljiva energija
će postojati sve dok je Sunca na zemlji, što je procjenjeno oko 5 biliona godina.
1.1.2. Energetske jedinice
Džul (J) je mjerna jedinica SI za rad (W), energiju (E) i toplotu (Q). Definiše se kao rad obavljen
(utrošena energija) djelovanjem sile od jednog njutna na putu daljine jednog metra.
1 J = 1 N * 1 m = 1 kg m
2
s
-2
Njutn (N) je iznos sile kojom je potrebno djelovati na tijelo mase 1 kilogram da bi se ono
ubrzalo za 1 metar u sekundi na kvadrat.
1 N = 1 kg m/s
2
3
1.1.1. Primarna i sekundarna energija
Izvori energije koje koristimo, osim geotermalne i nuklearne energije, su se u početku dobivale
iz solarne energije. Fosilna goriva koja danas koristimo - ugalj, nafta, i prirodni gas, dobiveni
su od organizama (okeanskih planktona), koji su rasli nekoliko stotina miliona godina.
Obnovljive energije: hidroenergija, biomasa, i vjetar su također direktno i indirektno dobivene
od energije sunca, slika 1.2.
Slika 1.2. Porijeklo različitih izvora energije koje ljudi koriste
Primarna energija je oblik energije uzet iz prirode bez pretvaranja ili procesa transformacije.
To je energija sadržana u hemijskom potencijalu fosilnih goriva, drva ili biomase, nuklearnoj
energiji, kinetičkoj energiji vjetra, potencijalnoj energiji vodenih tokova ili toplotnoj energiji
geotermalnih izvora. Izvori primarne energije mogu biti obnovljivi ili neobnovljivi. U energetici,
primarni izvori energije se odnose na oblike energije koje zahtijeva energetski sektor za
opskrbu energentima potrebnim ljudskom društvu.
Sekundarna energija je dobivena energetskim pretvaranjem (transformacijom) iz primarne
energije (npr. elektična energija dobivena iz uglja u termoelektrani).
Također možemo razlikovati obnovljivu i neobnovljivu energiju. Neobnovljiva energija se
nalazi u ograničenim količinama na zemlji. Uranijum, koji dolazi iz zvjezdane prašine, je bio
prisutan u formaciji zemlje (prije oko 4.5 biliona godina) i kao fosilno gorivo (ugalj, prirodni
gas, sirova nafta, nafta iz škriljaca, itd.). Za razliku od neobnovljive energije, obnovljiva energija
će postojati sve dok je Sunca na zemlji, što je procjenjeno oko 5 biliona godina.
1.1.2. Energetske jedinice
Džul (J) je mjerna jedinica SI za rad (W), energiju (E) i toplotu (Q). Definiše se kao rad obavljen
(utrošena energija) djelovanjem sile od jednog njutna na putu daljine jednog metra.
1 J = 1 N * 1 m = 1 kg m
2
s
-2
Njutn (N) je iznos sile kojom je potrebno djelovati na tijelo mase 1 kilogram da bi se ono
ubrzalo za 1 metar u sekundi na kvadrat.
1 N = 1 kg m/s
2
UVOD U ENERGETIKU
4
Korištenje drugih izvedenih jedinica, kao npr. gigadžul (1 GJ = 10
9
J), podržano je od strane
Međunarodne organizacije za standardizaciju.
Kalorija (cal) je jedinica za energiju. Određena je kao toplota potrebna da se jedan gram vode
pri pritisku 1 atmosfera ugrije za 1°C. Zbog zavisnosti specifične toplote vode od temperature
postoje različite definicije kalorije. Kalorija, definisana pri 15°C, je približno jednaka 4,1855 J.
Međunarodna kalorija je približno jednaka 4,1868 J, a termohemijska kalorija 4,184 J.
1 cal = 4,18 J 1kcal = 1000 cal = 1.16 Wh
British thermal units (Btu ili BTU) je tradicionalna jedinica toplote; definiše se kao količina
toplote koja je potrebna za podizanje temperature od jednog kilograma vode za jedan stepen
Fahrenheita.
Dvije jedinice koje se koriste u SAD su quad (1 quad = 10
15
Btu) i therm (1 therm = 10
5
Btu ).
Konjska snaga je naziv za staru u za snagu, izvan sistema SI. Oznaka KS kod nas podrazumijeva
konjsku snagu prema njemačkom standardu (DIN), koja se definiše kao snaga potrebna da se
masa od 75 kilograma podigne (djelujući silom od 75 kiloponda) na visinu od 1 metra u
vremenu od 1 sekunde.
1 KS = 75 kp · 1 m / 1 s = 75 kp·m·s
-1
Iako je konjsku snagu nadomjestila standardna jedinica vat (W) i njezina izvedenica kilovat
(kW), konjska snaga se još uvijek navodi kao snaga motora s unutarašnjim sagorijevanjem.
1 kW = 1,36 KS
1 KS = 0,74 kW
Druga jedinica koja se ponekad koristi za vrlo velike količine energije je tona ekvivalenta nafte
(toe). To odgovara 10 Gcal ili 4.1868 x 10
10
J. To je prihvaćena količina energije koja bi se
proizvela sagorijevanjem 1 tone sirove nafte. Ova se jedinica često koristi u statistici energije.
Tabela 1.1. Međusobno pretvaranje jedinica
MJ kcal Toe Btu kWh
MJ 1 238.8 2.388 x 10
-5
947.8 0.2778
kcal 4.1868 x 10
-3
1 107 3.968 1.163 x 10-3
Toe 4.1868 x 10
4
10
7
1 3.968 x 10
7
11630
Btu 1.0551 x 10
-3
0.252 2.52 1 2.931 x 10-4
kWh 3.6 0.86 8.6 x 10
-5
3412 1
1.1.3. Snaga
Snaga je izvršeni rad u jedinici vremena ili promjena energije u jednici vremena. Oznaka u fizici
za snagu je P (od riječi Power).
P = E / t
U praksi se često koriste kilovat i megavat (1 kW = 10
3
W i 1MW = 10
6
W). Snaga i energija se
ne trebaju miješati. Osobitno ne treba miješati 1 kW (snaga) sa 1 kwh (energija). Jedan kilovat-
sat odgovara energiji uređaja koji ima snagu 1 kW, a koji radi u periodu od jednog sata.
4
Korištenje drugih izvedenih jedinica, kao npr. gigadžul (1 GJ = 10
9
J), podržano je od strane
Međunarodne organizacije za standardizaciju.
Kalorija (cal) je jedinica za energiju. Određena je kao toplota potrebna da se jedan gram vode
pri pritisku 1 atmosfera ugrije za 1°C. Zbog zavisnosti specifične toplote vode od temperature
postoje različite definicije kalorije. Kalorija, definisana pri 15°C, je približno jednaka 4,1855 J.
Međunarodna kalorija je približno jednaka 4,1868 J, a termohemijska kalorija 4,184 J.
1 cal = 4,18 J 1kcal = 1000 cal = 1.16 Wh
British thermal units (Btu ili BTU) je tradicionalna jedinica toplote; definiše se kao količina
toplote koja je potrebna za podizanje temperature od jednog kilograma vode za jedan stepen
Fahrenheita.
Dvije jedinice koje se koriste u SAD su quad (1 quad = 10
15
Btu) i therm (1 therm = 10
5
Btu ).
Konjska snaga je naziv za staru u za snagu, izvan sistema SI. Oznaka KS kod nas podrazumijeva
konjsku snagu prema njemačkom standardu (DIN), koja se definiše kao snaga potrebna da se
masa od 75 kilograma podigne (djelujući silom od 75 kiloponda) na visinu od 1 metra u
vremenu od 1 sekunde.
1 KS = 75 kp · 1 m / 1 s = 75 kp·m·s
-1
Iako je konjsku snagu nadomjestila standardna jedinica vat (W) i njezina izvedenica kilovat
(kW), konjska snaga se još uvijek navodi kao snaga motora s unutarašnjim sagorijevanjem.
1 kW = 1,36 KS
1 KS = 0,74 kW
Druga jedinica koja se ponekad koristi za vrlo velike količine energije je tona ekvivalenta nafte
(toe). To odgovara 10 Gcal ili 4.1868 x 10
10
J. To je prihvaćena količina energije koja bi se
proizvela sagorijevanjem 1 tone sirove nafte. Ova se jedinica često koristi u statistici energije.
Tabela 1.1. Međusobno pretvaranje jedinica
MJ kcal Toe Btu kWh
MJ 1 238.8 2.388 x 10
-5
947.8 0.2778
kcal 4.1868 x 10
-3
1 107 3.968 1.163 x 10-3
Toe 4.1868 x 10
4
10
7
1 3.968 x 10
7
11630
Btu 1.0551 x 10
-3
0.252 2.52 1 2.931 x 10-4
kWh 3.6 0.86 8.6 x 10
-5
3412 1
1.1.3. Snaga
Snaga je izvršeni rad u jedinici vremena ili promjena energije u jednici vremena. Oznaka u fizici
za snagu je P (od riječi Power).
P = E / t
U praksi se često koriste kilovat i megavat (1 kW = 10
3
W i 1MW = 10
6
W). Snaga i energija se
ne trebaju miješati. Osobitno ne treba miješati 1 kW (snaga) sa 1 kwh (energija). Jedan kilovat-
sat odgovara energiji uređaja koji ima snagu 1 kW, a koji radi u periodu od jednog sata.
UVOD U ENERGETIKU
5
1.1.4. Energija i Prvi zakon termodinamike
Prvi zakon termodinamike (zakon o očuvanju energije) izveo je H. L. F. von Helmholtz (1847.)
na temelju Joule-ovih i Carnot-ovih radova. Prema tome zakonu ukupna količina toplote i
mehaničkoga rada u zatvorenom sistemu je stalan:
dQ = dU + p * dV
Količina toplote dQ predana nekom sistemu troši se samo na povećanje njegove unutrašnje
energije U (zagrijavanje) i na svladavanje vanjskoga pritiska p, a pritisak se protivi povećanju
zapremine sistema V. Prvi zakon termodinamike može se nazvati još i zakon o očuvanja
energije, prema kojem je u svakom zatvorenom sistemu zbir svih oblika energije, uključujući i
materiju, stalan. Ovaj zakon simbolički se može zapisati kao:
ΔU = W + Q
Porast unutrašnje energije sistema = Rad sistema + Količina topline dovedena u sistem
Prvi zakon termodinamike često se izražava kao: Perpetuum mobile prve vrste nije moguć.
Perpetuum mobile prve vrste je uređaj koji bi u nekom procesu proizvodio energiju ni iz čega.
1.1.5. Drugi zakon termodinamike
Drugi zakon termodinamike upućuje na smjer u kojem se odvija pretvaranje toplotne energije
u mehaničku. Do toga je zakona došao već Carnot 1824. On je proučavao idealne uslove
prelaska toplote u mehanički rad i zaključio da su za prelazak toplote u rad potrebna dva
spremnika toplote na različitoj temperaturi; prelaskom toplote iz toplijega spremnika u
hladniji samo se dio toplote pretvara u rad, a ostatak toplote prelazi u spremnik niže
temperature (degradacija). Prema Carnot-u, maksimalna djelotvornost η idealne toplotne
mašine, koji kružnim procesom pretvara toplotu u rad, iznosi:
η = 1 – Q2/Q1 = 1 – T2/T1
gdje su: T1 i T2 temperature toplijega i hladnijega spremnika; Q1 je toplota koja pri prelasku
stoji na raspolaganju, a Q2 dio toplote koji se degradira. Svrha drugoga zakona termodinamike
je da se pri prelasku toplote u rad dio toplote uvijek gubi ili degradira (degradacija).
Matematički izraz drugoga zakona termodinamike iskazuje se s pomoću entropije. Za sistem
temperature T, u kojem se nalazi ukupna količina toplote Q, entropija S izražava se kao:
S = Q/T
Iz toga slijedi da je entropija sistema veća što mu je, uz datu količinu toplote u sistemu,
temperatura niža. Kako pri svakom prelasku toplote u rad dio toplote prelazi u spremnik niže
temperature, ukupna se entropija sistema povećava. Uopštavanjem drugog zakona može se
reći da se entropija zatvorenoga sistema povećava pri svakom procesu.
Drugi zakon termodinamike isključuje takozvani perpetuum mobile druge vrste. Nije moguće
sagraditi mašinu koja bi stvarala rad na račun toplote okoline bez razlike temperature, to jest
bez spremnika niže temperature. Kad bi se to moglo, brod bi mogao ploviti na račun golemih
količina toplote sadržanih u moru i to bez ikakvog goriva.
5
1.1.4. Energija i Prvi zakon termodinamike
Prvi zakon termodinamike (zakon o očuvanju energije) izveo je H. L. F. von Helmholtz (1847.)
na temelju Joule-ovih i Carnot-ovih radova. Prema tome zakonu ukupna količina toplote i
mehaničkoga rada u zatvorenom sistemu je stalan:
dQ = dU + p * dV
Količina toplote dQ predana nekom sistemu troši se samo na povećanje njegove unutrašnje
energije U (zagrijavanje) i na svladavanje vanjskoga pritiska p, a pritisak se protivi povećanju
zapremine sistema V. Prvi zakon termodinamike može se nazvati još i zakon o očuvanja
energije, prema kojem je u svakom zatvorenom sistemu zbir svih oblika energije, uključujući i
materiju, stalan. Ovaj zakon simbolički se može zapisati kao:
ΔU = W + Q
Porast unutrašnje energije sistema = Rad sistema + Količina topline dovedena u sistem
Prvi zakon termodinamike često se izražava kao: Perpetuum mobile prve vrste nije moguć.
Perpetuum mobile prve vrste je uređaj koji bi u nekom procesu proizvodio energiju ni iz čega.
1.1.5. Drugi zakon termodinamike
Drugi zakon termodinamike upućuje na smjer u kojem se odvija pretvaranje toplotne energije
u mehaničku. Do toga je zakona došao već Carnot 1824. On je proučavao idealne uslove
prelaska toplote u mehanički rad i zaključio da su za prelazak toplote u rad potrebna dva
spremnika toplote na različitoj temperaturi; prelaskom toplote iz toplijega spremnika u
hladniji samo se dio toplote pretvara u rad, a ostatak toplote prelazi u spremnik niže
temperature (degradacija). Prema Carnot-u, maksimalna djelotvornost η idealne toplotne
mašine, koji kružnim procesom pretvara toplotu u rad, iznosi:
η = 1 – Q2/Q1 = 1 – T2/T1
gdje su: T1 i T2 temperature toplijega i hladnijega spremnika; Q1 je toplota koja pri prelasku
stoji na raspolaganju, a Q2 dio toplote koji se degradira. Svrha drugoga zakona termodinamike
je da se pri prelasku toplote u rad dio toplote uvijek gubi ili degradira (degradacija).
Matematički izraz drugoga zakona termodinamike iskazuje se s pomoću entropije. Za sistem
temperature T, u kojem se nalazi ukupna količina toplote Q, entropija S izražava se kao:
S = Q/T
Iz toga slijedi da je entropija sistema veća što mu je, uz datu količinu toplote u sistemu,
temperatura niža. Kako pri svakom prelasku toplote u rad dio toplote prelazi u spremnik niže
temperature, ukupna se entropija sistema povećava. Uopštavanjem drugog zakona može se
reći da se entropija zatvorenoga sistema povećava pri svakom procesu.
Drugi zakon termodinamike isključuje takozvani perpetuum mobile druge vrste. Nije moguće
sagraditi mašinu koja bi stvarala rad na račun toplote okoline bez razlike temperature, to jest
bez spremnika niže temperature. Kad bi se to moglo, brod bi mogao ploviti na račun golemih
količina toplote sadržanih u moru i to bez ikakvog goriva.
UVOD U ENERGETIKU
6
1.1.6. Entropija
Entropija(S) je težnja sistema da spontano pređe u stanje veće neuređenosti, dakle, entropija
je mjerilo neuređenosti sistema. Najveća uređenost sistema je apsolutna temperatura. Pojam
entropija uveo je 1865. Rudolf Clausius.
dS = dQ/T
Entropija je funkcija stanja, što znači da ovisi samo o konačnom i početnom stanju sistema, a
može imati pozitivnu i negativnu vrijednost. Dio hemije koji se bavi proučavanjem toplotnih
promjena u hemijskim reakcijama zove se hemijska termodinamika. Na zatvorenom
povratnom (reverzibilnom) putu (Carnot-ov kružni proces), kada se konačno i početno stanje
poklope, promjena entropije iščezava, ΔS = 0. Prema drugom zakonu termodinamike,
entropija sistema termički izoliranih od okoline veća je ili jednaka nuli: ΔS ≥ 0, pri čemu se znak
jednakosti veže za povratne (reverzibilne) procese, a znak nejednakosti za nepovratne
(ireverzibilne) procese u sistemu. Entropija zatvorenih sistema povećava se, jer takvi sistemi
teže stanju najveće vjerovatnoće, odnosno stanju s najvećom entropijom. Temeljnu vezu
između entropije S i vjerovatnoće P, Ludwig Boltzmann formulisao je kao relaciju:
S = k * logP
gdje je: k - Boltzmannova konstanta
1.1.7. Eksergija
Eksergija nekog sistema predstavlja maksimalni korisni rad otvorenog sistema koji se može
postići tokom procesa koji taj sistem dovodi u ravnotežu s nekim toplotnim rezervoarom. Kada
je okolina toplotni rezervoar, eksergija predstavlja potencijal sistema da vrši promjene dok
postiže ravnotežu sa svojom okolinom. Općenito, eksergija je dio energije koji je raspoloživ za
upotrebu. Kada sistem postigne ravnotežu sa okolinom, eksergija je nula. Pojam eksergije
upotrijebio je prvi put Zoran Rant 1953.-1956, slovenački profesor.
U energetici postoji još jedna definicija eksergije i energije. Eksergija je dio energije čiji se
određeni dio pretvoriti iz jednog oblika u drugi oblik. Primjeri eksergije su: toplotna energija s
visokom temperaturom (termoelektrane), hladnoća, svjetlost, hemijska energija: fosilna
goriva, uran itd.
Anergija je dio energije koji se ne može pretvoriti u mehanički rad. Uništeni dio eksergije se
naziva anergija.
U skladu s prvim zakonom termodinamike, energija se ne može uništiti u procesima, već se
transformiše iz jednog oblika u drugi. Za razliku od nje, eksergija se može uništiti i to se dešava
uvijek u procesima koji uključuju temperaturne promjene. Uništenje eksergije je
proporcionalno povećanju entropije u sistemu. U izotermnom procesu ne dolazi do nastanka
anergije. Eksergija nekog sistema se može prikazati slijedećim izrazom:
Ex = E – Ta * S
• Ex predstavlja eksergiju sistema,
• E je energija sistema,
• Ta je temperatura referentne okoline u kelvinima,
• S je entropija sistema.
6
1.1.6. Entropija
Entropija(S) je težnja sistema da spontano pređe u stanje veće neuređenosti, dakle, entropija
je mjerilo neuređenosti sistema. Najveća uređenost sistema je apsolutna temperatura. Pojam
entropija uveo je 1865. Rudolf Clausius.
dS = dQ/T
Entropija je funkcija stanja, što znači da ovisi samo o konačnom i početnom stanju sistema, a
može imati pozitivnu i negativnu vrijednost. Dio hemije koji se bavi proučavanjem toplotnih
promjena u hemijskim reakcijama zove se hemijska termodinamika. Na zatvorenom
povratnom (reverzibilnom) putu (Carnot-ov kružni proces), kada se konačno i početno stanje
poklope, promjena entropije iščezava, ΔS = 0. Prema drugom zakonu termodinamike,
entropija sistema termički izoliranih od okoline veća je ili jednaka nuli: ΔS ≥ 0, pri čemu se znak
jednakosti veže za povratne (reverzibilne) procese, a znak nejednakosti za nepovratne
(ireverzibilne) procese u sistemu. Entropija zatvorenih sistema povećava se, jer takvi sistemi
teže stanju najveće vjerovatnoće, odnosno stanju s najvećom entropijom. Temeljnu vezu
između entropije S i vjerovatnoće P, Ludwig Boltzmann formulisao je kao relaciju:
S = k * logP
gdje je: k - Boltzmannova konstanta
1.1.7. Eksergija
Eksergija nekog sistema predstavlja maksimalni korisni rad otvorenog sistema koji se može
postići tokom procesa koji taj sistem dovodi u ravnotežu s nekim toplotnim rezervoarom. Kada
je okolina toplotni rezervoar, eksergija predstavlja potencijal sistema da vrši promjene dok
postiže ravnotežu sa svojom okolinom. Općenito, eksergija je dio energije koji je raspoloživ za
upotrebu. Kada sistem postigne ravnotežu sa okolinom, eksergija je nula. Pojam eksergije
upotrijebio je prvi put Zoran Rant 1953.-1956, slovenački profesor.
U energetici postoji još jedna definicija eksergije i energije. Eksergija je dio energije čiji se
određeni dio pretvoriti iz jednog oblika u drugi oblik. Primjeri eksergije su: toplotna energija s
visokom temperaturom (termoelektrane), hladnoća, svjetlost, hemijska energija: fosilna
goriva, uran itd.
Anergija je dio energije koji se ne može pretvoriti u mehanički rad. Uništeni dio eksergije se
naziva anergija.
U skladu s prvim zakonom termodinamike, energija se ne može uništiti u procesima, već se
transformiše iz jednog oblika u drugi. Za razliku od nje, eksergija se može uništiti i to se dešava
uvijek u procesima koji uključuju temperaturne promjene. Uništenje eksergije je
proporcionalno povećanju entropije u sistemu. U izotermnom procesu ne dolazi do nastanka
anergije. Eksergija nekog sistema se može prikazati slijedećim izrazom:
Ex = E – Ta * S
• Ex predstavlja eksergiju sistema,
• E je energija sistema,
• Ta je temperatura referentne okoline u kelvinima,
• S je entropija sistema.
UVOD U ENERGETIKU
7
1.2. HISTORIJA KORIŠTENJA ENERGIJA
Historija čovječanstva vezana je uz korištenje energije. U onom trenutku kad je čovjek počeo
kontrolisati prirodne sile počinje i korištenje energije. Sasvim sigurno je vatra bila jedna od
prekretnica u razvoju čovjeka. Nakon što je čovjek naučio koristiti vatru imao je potrebu i za
dovoljnim količinama energenata kojima će tu vatru održavati. Okrenuo se onome što mu je
u prirodi bilo najbliže, a to je drvo koje možemo sasvim sigurno označiti kao prvi izvor energije
koji je čovjek upotrebljavao.
Asfalt, kao jedan od prirodnih oblika nafte, je prvo fosilno gorivo koji je čovjek koristio, a
koristili su ga Sumerani 6.000 god. p.n.e. Gorivo se koristi za proizvodnju cigle, vapna, bakra,
željeza, a 3.000. god. p.n.e. i za glaziranje i emajliranje lončarskih proizvoda. Za rasvjetu su se
koristile biljne i životinjske masti. Za vrijeme Babilonskog carstva (2.500. g. do 538. god. p.n.e.)
uočeno je prvo historijsko razdoblje korištenja fosilnog goriva i to sirove nafte i asfalta koji su
korišteni u proizvodnji cigle i vapna. Koristio se i prirodni plin iz plitkih bušotina. Iako su se
koristila fosilna goriva, drvo je ipak ostalo glavni izvor energije. Oko 500. god. p.n.e. raste
potreba za mehaničkom energijom. Rimljani prvi počinju iskorištavati vodne snage pomoću
mlinskog kola.
1.2.1. Čovjek i upotreba energije
Iz cjelokupne historije upotrebe energije vidi se da je povećanje životnog standarda uvijek bilo
povezano sa povećanim korištenjem energije.
U početku su ljudi usitnjavali pšenicu pomoću kamenja i drvenih motki, koristeći snagu svojih
mišića. Uvođenje u upotrebu mlinskog kamena (žrvnja) značilo je mogućnost mljevenja mnogo
većih količina pšenice.
Tamo gdje su uslovi za poljoprivredu bili povoljni i gdje je tehnologija obrade zemlje bila
razvijenija, stvoreni višak proizvoda je bio dovoljno velik da je mogao obezbjediti hranu za
potrebe većeg broja ljudi. Koncentracija većeg broja stanovnika u naseljima je omogućavala
pojavu sve većeg broja stručnjaka kao što su bili zidari, drvosječe, kovači, trgovci i moreplovci.
Kada se u srednjem stoljeću pojavio vodeni točak u Europi, s njim su došle i mašine koje su
mogle koristiti energiju sadržanu u energetskim izvorima mnogo obilnijim nego što je bila
radna snaga čovjeka ili životinje. 1784 godine James Watt je izumio prvu pokretnu parnu
mašinu. Od tada pa do danas, čovječanstvo za obavljanje rada može koristiti i bioenergiju
(sadržanu na primjer u drvnoj masi), kao i neobnovljive izvore energije kao što je na primjer
ugalj. Ovo otkriće je imalo vodeću ulogu u prelasku sa ručnog na mašinski rad.
U modernim društvima, tehnologije za korištenje neobnovljivih energija i električne struje su
veoma razvijene i još se i dalje neprekidno razvijaju.
Sve do kraja devetnaestog stoljeća, dominantni izvori energije su bili ugalj i drvo. Krajem 1890
godine, nafta je zauzimala samo 2% od ukupne godišnje potrošnje energije. Korištenje
neobnovljivih izvora energije je izuzetno poraslo nakon Drugog svjetskog rata, i ovaj rast se
nastavlja sve do današnjih dana. Na električnu struju proizvedenu u hidroelektranama ili
nuklearnim elektranama otpada samo mali dio globalne svjetske potrošnje energije, slika 1.3.
7
1.2. HISTORIJA KORIŠTENJA ENERGIJA
Historija čovječanstva vezana je uz korištenje energije. U onom trenutku kad je čovjek počeo
kontrolisati prirodne sile počinje i korištenje energije. Sasvim sigurno je vatra bila jedna od
prekretnica u razvoju čovjeka. Nakon što je čovjek naučio koristiti vatru imao je potrebu i za
dovoljnim količinama energenata kojima će tu vatru održavati. Okrenuo se onome što mu je
u prirodi bilo najbliže, a to je drvo koje možemo sasvim sigurno označiti kao prvi izvor energije
koji je čovjek upotrebljavao.
Asfalt, kao jedan od prirodnih oblika nafte, je prvo fosilno gorivo koji je čovjek koristio, a
koristili su ga Sumerani 6.000 god. p.n.e. Gorivo se koristi za proizvodnju cigle, vapna, bakra,
željeza, a 3.000. god. p.n.e. i za glaziranje i emajliranje lončarskih proizvoda. Za rasvjetu su se
koristile biljne i životinjske masti. Za vrijeme Babilonskog carstva (2.500. g. do 538. god. p.n.e.)
uočeno je prvo historijsko razdoblje korištenja fosilnog goriva i to sirove nafte i asfalta koji su
korišteni u proizvodnji cigle i vapna. Koristio se i prirodni plin iz plitkih bušotina. Iako su se
koristila fosilna goriva, drvo je ipak ostalo glavni izvor energije. Oko 500. god. p.n.e. raste
potreba za mehaničkom energijom. Rimljani prvi počinju iskorištavati vodne snage pomoću
mlinskog kola.
1.2.1. Čovjek i upotreba energije
Iz cjelokupne historije upotrebe energije vidi se da je povećanje životnog standarda uvijek bilo
povezano sa povećanim korištenjem energije.
U početku su ljudi usitnjavali pšenicu pomoću kamenja i drvenih motki, koristeći snagu svojih
mišića. Uvođenje u upotrebu mlinskog kamena (žrvnja) značilo je mogućnost mljevenja mnogo
većih količina pšenice.
Tamo gdje su uslovi za poljoprivredu bili povoljni i gdje je tehnologija obrade zemlje bila
razvijenija, stvoreni višak proizvoda je bio dovoljno velik da je mogao obezbjediti hranu za
potrebe većeg broja ljudi. Koncentracija većeg broja stanovnika u naseljima je omogućavala
pojavu sve većeg broja stručnjaka kao što su bili zidari, drvosječe, kovači, trgovci i moreplovci.
Kada se u srednjem stoljeću pojavio vodeni točak u Europi, s njim su došle i mašine koje su
mogle koristiti energiju sadržanu u energetskim izvorima mnogo obilnijim nego što je bila
radna snaga čovjeka ili životinje. 1784 godine James Watt je izumio prvu pokretnu parnu
mašinu. Od tada pa do danas, čovječanstvo za obavljanje rada može koristiti i bioenergiju
(sadržanu na primjer u drvnoj masi), kao i neobnovljive izvore energije kao što je na primjer
ugalj. Ovo otkriće je imalo vodeću ulogu u prelasku sa ručnog na mašinski rad.
U modernim društvima, tehnologije za korištenje neobnovljivih energija i električne struje su
veoma razvijene i još se i dalje neprekidno razvijaju.
Sve do kraja devetnaestog stoljeća, dominantni izvori energije su bili ugalj i drvo. Krajem 1890
godine, nafta je zauzimala samo 2% od ukupne godišnje potrošnje energije. Korištenje
neobnovljivih izvora energije je izuzetno poraslo nakon Drugog svjetskog rata, i ovaj rast se
nastavlja sve do današnjih dana. Na električnu struju proizvedenu u hidroelektranama ili
nuklearnim elektranama otpada samo mali dio globalne svjetske potrošnje energije, slika 1.3.
UVOD U ENERGETIKU
8
Slika 1.3. Dnevna potrošnja energije po stanovnika
1.2.2. Energetski izvori
Život na Zemlji nastao je i opstao milijunima godina zahvaljujući povoljnim klimatskim
prilikama. Klima se može promatrati kao obnovljivi resurs kojem je energetska komponenta
energija sunca, a materijalna komponenta su oceani kao rezervoari za vodu. Energija sunca
potiče kruženje vode na Zemlji i time omogućava život. Klimatske promjene na zemlji dostigle
su takav nivo da možemo govoriti o klimatskoj krizi. Vizija izlaska iz te krize je vrlo jasna i to je
povratak na manje štetne izvore energije. Budući da sve vrste žive u prirodnoj ravnoteži, to bi
utjecalo na cijeli biološki sistem Zemlje. Da bi se izbjegla takva budućnost Zemlje, neke države
počele su poticati programe štednje energije i prelazak na "čiste" izvore energije.
Glavni izvori energije u dvadesetom stoljeću su neobnovljivi izvori energije. To su:
• ugalj,
• nafta,
• prirodni plin,
• nuklearna energija.
Ugalj, nafta i prirodni plin nazivaju se još i fosilna goriva. Dva osnovna problema kod
neobnovljivih izvora energije su da ih ima u ograničenim količinama i da onečišćuju okoliš.
Sagorijevanjem fosilnih goriva oslobađa se velika količina CO2 koji je staklenični plin.
Najvjerovatnije je zbog toga došlo do globalnog porasta temperature na Zemlji. Nuklearna
goriva nisu opasna za atmosferu, ali tvari nastale kod nuklearne reakcije ostaju radioaktivne
još godinama i trebaju biti uskladištene u posebnim prostorijama. Kod obnovljivih izvora
energije nema takvih problema. Najznačajniji obnovljivi izvori energije su:
8
Slika 1.3. Dnevna potrošnja energije po stanovnika
1.2.2. Energetski izvori
Život na Zemlji nastao je i opstao milijunima godina zahvaljujući povoljnim klimatskim
prilikama. Klima se može promatrati kao obnovljivi resurs kojem je energetska komponenta
energija sunca, a materijalna komponenta su oceani kao rezervoari za vodu. Energija sunca
potiče kruženje vode na Zemlji i time omogućava život. Klimatske promjene na zemlji dostigle
su takav nivo da možemo govoriti o klimatskoj krizi. Vizija izlaska iz te krize je vrlo jasna i to je
povratak na manje štetne izvore energije. Budući da sve vrste žive u prirodnoj ravnoteži, to bi
utjecalo na cijeli biološki sistem Zemlje. Da bi se izbjegla takva budućnost Zemlje, neke države
počele su poticati programe štednje energije i prelazak na "čiste" izvore energije.
Glavni izvori energije u dvadesetom stoljeću su neobnovljivi izvori energije. To su:
• ugalj,
• nafta,
• prirodni plin,
• nuklearna energija.
Ugalj, nafta i prirodni plin nazivaju se još i fosilna goriva. Dva osnovna problema kod
neobnovljivih izvora energije su da ih ima u ograničenim količinama i da onečišćuju okoliš.
Sagorijevanjem fosilnih goriva oslobađa se velika količina CO2 koji je staklenični plin.
Najvjerovatnije je zbog toga došlo do globalnog porasta temperature na Zemlji. Nuklearna
goriva nisu opasna za atmosferu, ali tvari nastale kod nuklearne reakcije ostaju radioaktivne
još godinama i trebaju biti uskladištene u posebnim prostorijama. Kod obnovljivih izvora
energije nema takvih problema. Najznačajniji obnovljivi izvori energije su:
UVOD U ENERGETIKU
9
• energija vjetra,
• energija Sunca,
• bioenergija,
• energija vode.
Obnovljivi izvori energije ne zagađuju okoliš u tolikoj mjeri kao neobnovljivi, ali nisu ni oni svi
potpuno čisti. To se uglavnom odnosi na energiju dobivenu iz biomase koja kao i fosilna goriva
prilikom sagorijevanja ispušta CO2. Ako izuzmemo energiju vode, glavni problemi kod
obnovljivih izvora su cijena i mala količina dobivene energije.
Obnovljive izvore energije možemo podijeliti u dvije glavne kategorije: tradicionalne
obnovljive izvore energije, poput biomase i hidroelektrana, te na takozvane "nove obnovljive
izvore energije", poput energije Sunca, energije vjetra, geotermalne energije itd. Iz obnovljivih
izvora energije dobiva se 18% ukupne svjetske energije (2006), ali je većina od toga energija
dobivena tradicionalnim iskorištavanjem biomase za kuhanje i grijanje - 13 od 18%.
Postoji mnogo država koje daju dobar primjer iskorištavanja potencijala obnovljivih izvora
energije. Na primjer Njemačka, Danska i Nizozemska s razvijenim sektorom iskorištavanja
energije vjetra, Island s geotermalnom energijom, Kina s hidroenergijom, pa čak i SAD sa
saveznim državama Arizona, Florida i Kalifornija u kojima postoji dosta projekata.
Slika 1.4. Potrošnja primarne energije u svijetu
1.2.3. Posljedice korištenja energije
Postotak upotrebe ekološki prihvatljivih obnovljivih izvora energije još je uvijek na globalnoj
skali zanemariv, tako da ekološki problemi, kao posljedica pretjerane upotrebe fosilnih goriva,
zaslužuju posebnu pažnju ne samo sa energetskog već svakako i sa ekološkog gledišta. Različiti
izvori energije imaju različite utjecaje na okoliš u kojem se ti izvori energije proizvode,
transportuju ili koriste.
Fosilna goriva. Ova vrsta goriva ima daleko najveći negativni uticaj na okolinu. Sagorijevanjem
fosilnih goriva u atmosferu se ispuštaju ogromne količine ugljika koji se milijunima godina
taložio i onda bio prekriven slojevima stijena i zemlje.
9
• energija vjetra,
• energija Sunca,
• bioenergija,
• energija vode.
Obnovljivi izvori energije ne zagađuju okoliš u tolikoj mjeri kao neobnovljivi, ali nisu ni oni svi
potpuno čisti. To se uglavnom odnosi na energiju dobivenu iz biomase koja kao i fosilna goriva
prilikom sagorijevanja ispušta CO2. Ako izuzmemo energiju vode, glavni problemi kod
obnovljivih izvora su cijena i mala količina dobivene energije.
Obnovljive izvore energije možemo podijeliti u dvije glavne kategorije: tradicionalne
obnovljive izvore energije, poput biomase i hidroelektrana, te na takozvane "nove obnovljive
izvore energije", poput energije Sunca, energije vjetra, geotermalne energije itd. Iz obnovljivih
izvora energije dobiva se 18% ukupne svjetske energije (2006), ali je većina od toga energija
dobivena tradicionalnim iskorištavanjem biomase za kuhanje i grijanje - 13 od 18%.
Postoji mnogo država koje daju dobar primjer iskorištavanja potencijala obnovljivih izvora
energije. Na primjer Njemačka, Danska i Nizozemska s razvijenim sektorom iskorištavanja
energije vjetra, Island s geotermalnom energijom, Kina s hidroenergijom, pa čak i SAD sa
saveznim državama Arizona, Florida i Kalifornija u kojima postoji dosta projekata.
Slika 1.4. Potrošnja primarne energije u svijetu
1.2.3. Posljedice korištenja energije
Postotak upotrebe ekološki prihvatljivih obnovljivih izvora energije još je uvijek na globalnoj
skali zanemariv, tako da ekološki problemi, kao posljedica pretjerane upotrebe fosilnih goriva,
zaslužuju posebnu pažnju ne samo sa energetskog već svakako i sa ekološkog gledišta. Različiti
izvori energije imaju različite utjecaje na okoliš u kojem se ti izvori energije proizvode,
transportuju ili koriste.
Fosilna goriva. Ova vrsta goriva ima daleko najveći negativni uticaj na okolinu. Sagorijevanjem
fosilnih goriva u atmosferu se ispuštaju ogromne količine ugljika koji se milijunima godina
taložio i onda bio prekriven slojevima stijena i zemlje.
UVOD U ENERGETIKU
10
Bioenergija (biogoriva). Biogoriva stvaraju iste probleme kao i fosilna goriva, ali budući da se
proizvodnjom biogoriva zatvara ugljični ciklus, biogoriva su manje štetna od fosilnih goriva.
Zatvaranje ugljičnog ciklusa znači da biljke koje se koriste za proizvodnju biogoriva prilikom
rasta iz atmosfere uzmu određene količine ugljika, koji se kasnije vraća u atmosferu izgaranjem
tih biogoriva.
Solarna energija. Iako energija Sunca ima ogroman potencijal, zbog male iskoristivosti bilo bi
potrebno prekriti velike površine da se dobije ozbiljnija količina iskoristive energije. Takvo
rješenje ekološki je prihvatljivo samo u područjima u kojima nema vegetacije, tj u pustinjama,
a u „zelenim“ područjima to bi stvorilo preveliki negativni učinak na okoliš.
Energija vjetra. Sama proizvodnja energije iz vjetra nema ozbiljnijeg negativnog učinka na
okoliš. Gledano iz ekološkog aspekta, jedina ozbiljnija zamjerka vjetroelektranama je
negativan utjecaj na ptičje populacije, tj. elise vjetrenjača ubijaju ptice. Kao manje zamjerke
vjetroelektranama navodi se vizualno zagađivanje okoliša, uništavanje netaknute prirode
gradnjom pristupnih cesta do vjetrenjača i generiranje zvuka niske frekvencije koji negativno
utječe na zdravlje ljudi (ometaju spavanje, izazivaju glavobolje, mogu izazvati anksioznost).
Energija vode. Iskorištavanjem energije vode ne stvara se nikakvo zagađenje okoliša, ali sami
infrastrukturni objekti mogu znatno utjecati na okoliš. Tako se gradnjom velikih brana
poplavljuju velike površine i dižu razine podzemnih voda, a to može promijeniti cijeli lokalni
biosustav. Dodatni problem je presijecanje prirodnih tokova vode i time presijecanje kretanja
pojedinih vodenih životinja.
Nuklearna energija. Sama proizvodnja energije u nuklearnim elektranama iznimno je čist
proces. Nama stakleničkih plinova ili drugih zagađenja, jedino dolazi do zagrijavanje vode koja
se koristi za hlađenje reaktora, pa to može uticati na biosisteme. Najveći problem kod
nuklearnih elektrana je upotrijebljeno gorivo koje je izuzetno radioaktivno i mora biti
pohranjeno više stotina godina u posebnim skladištima pod zemljom.
Nuklearne katastrofe. Najstrašniji primjeri nuklearnih katastrofa su svakako Černobil (1986.)
i Fukušima (2011.), koji su jasno ukazali koliko goleme razmjere može imati nuklearna
katastrofa, te istaknuli prijeku potrebu uvođenja maksimalnih mjera sigurnosti u postojeće
nuklearne elektrane. Ujedno su uticale i na vlade nekih država da smanje broj budućih
projekata izgradnje nuklearnih elektrana. Nesreće su uzrokovale i radioaktivne oblake, koji su
se proširili daleko izvan područja elektrane i uzrokovale znatan broj ljudskih žrtava.
Kisele kiše. Nastaju na način da se slobodni nemetalni oksidi sumpora i dušika vežu sa
vodenom parom u atmosferi u spojeve sumporne i dušične kiseline, a koje potom padaju u
obliku padavina na zemlju. Kisele kiše predstavljaju jedan od glavnih uzroka odumiranja šuma
jer se sumporni dioksid koji je inače daleko najštetnija tvar u zraku u spoju s vodom pretvara
u sumpornu kiselinu koja ima pogubno djelovanje na čitavu floru. Sumporna kiselina ima
izrazito negativno djelovanje naročito na zelene biljke jer se njime remeti proces fotosinteze
što ima za posljedicu oštećenja lišća, a koje naknadno rezultira i odumiranjem šuma.
10
Bioenergija (biogoriva). Biogoriva stvaraju iste probleme kao i fosilna goriva, ali budući da se
proizvodnjom biogoriva zatvara ugljični ciklus, biogoriva su manje štetna od fosilnih goriva.
Zatvaranje ugljičnog ciklusa znači da biljke koje se koriste za proizvodnju biogoriva prilikom
rasta iz atmosfere uzmu određene količine ugljika, koji se kasnije vraća u atmosferu izgaranjem
tih biogoriva.
Solarna energija. Iako energija Sunca ima ogroman potencijal, zbog male iskoristivosti bilo bi
potrebno prekriti velike površine da se dobije ozbiljnija količina iskoristive energije. Takvo
rješenje ekološki je prihvatljivo samo u područjima u kojima nema vegetacije, tj u pustinjama,
a u „zelenim“ područjima to bi stvorilo preveliki negativni učinak na okoliš.
Energija vjetra. Sama proizvodnja energije iz vjetra nema ozbiljnijeg negativnog učinka na
okoliš. Gledano iz ekološkog aspekta, jedina ozbiljnija zamjerka vjetroelektranama je
negativan utjecaj na ptičje populacije, tj. elise vjetrenjača ubijaju ptice. Kao manje zamjerke
vjetroelektranama navodi se vizualno zagađivanje okoliša, uništavanje netaknute prirode
gradnjom pristupnih cesta do vjetrenjača i generiranje zvuka niske frekvencije koji negativno
utječe na zdravlje ljudi (ometaju spavanje, izazivaju glavobolje, mogu izazvati anksioznost).
Energija vode. Iskorištavanjem energije vode ne stvara se nikakvo zagađenje okoliša, ali sami
infrastrukturni objekti mogu znatno utjecati na okoliš. Tako se gradnjom velikih brana
poplavljuju velike površine i dižu razine podzemnih voda, a to može promijeniti cijeli lokalni
biosustav. Dodatni problem je presijecanje prirodnih tokova vode i time presijecanje kretanja
pojedinih vodenih životinja.
Nuklearna energija. Sama proizvodnja energije u nuklearnim elektranama iznimno je čist
proces. Nama stakleničkih plinova ili drugih zagađenja, jedino dolazi do zagrijavanje vode koja
se koristi za hlađenje reaktora, pa to može uticati na biosisteme. Najveći problem kod
nuklearnih elektrana je upotrijebljeno gorivo koje je izuzetno radioaktivno i mora biti
pohranjeno više stotina godina u posebnim skladištima pod zemljom.
Nuklearne katastrofe. Najstrašniji primjeri nuklearnih katastrofa su svakako Černobil (1986.)
i Fukušima (2011.), koji su jasno ukazali koliko goleme razmjere može imati nuklearna
katastrofa, te istaknuli prijeku potrebu uvođenja maksimalnih mjera sigurnosti u postojeće
nuklearne elektrane. Ujedno su uticale i na vlade nekih država da smanje broj budućih
projekata izgradnje nuklearnih elektrana. Nesreće su uzrokovale i radioaktivne oblake, koji su
se proširili daleko izvan područja elektrane i uzrokovale znatan broj ljudskih žrtava.
Kisele kiše. Nastaju na način da se slobodni nemetalni oksidi sumpora i dušika vežu sa
vodenom parom u atmosferi u spojeve sumporne i dušične kiseline, a koje potom padaju u
obliku padavina na zemlju. Kisele kiše predstavljaju jedan od glavnih uzroka odumiranja šuma
jer se sumporni dioksid koji je inače daleko najštetnija tvar u zraku u spoju s vodom pretvara
u sumpornu kiselinu koja ima pogubno djelovanje na čitavu floru. Sumporna kiselina ima
izrazito negativno djelovanje naročito na zelene biljke jer se njime remeti proces fotosinteze
što ima za posljedicu oštećenja lišća, a koje naknadno rezultira i odumiranjem šuma.
UVOD U ENERGETIKU
11
Nafta ili sirova nafta i prirodni plin su organski ugljikovodici, nastali iz atoma ugljika i vodika.
Proizvedeni tokom procesa koji je trajao milione godina, oni su prvenstveno nastali iz biomase
oceana (planktona) koja je rasla zbog obilja solarne energije koja dopire do Zemljine površine.
Ti se ugljikovodici mogu promatrati kao skladišta za solarnu energiju, i njihovo izgaranje kao
sredstvo oslobađanja pohranjene energije. Zajedno s ugljenom, ovi izvori energije su ključni
za funkcioniranje moderne civilizacije.
Nafta i prirodni plin poznati su i koriste se od davnina. Spaljivanje nafte bilo je korišteno kao
oružje Perzijanaca protiv Grka. Prije nego što se počelo općenito koristi kao izvor energije,
glavna upotreba nafte je bila kao lijek ili kao sredstvo za ispiranje. U nekim regijama u zemlji
je otkriven i prirodni plin. U Kini se prirodni plin koristi za kuhanje još od desetog stoljeća,
transportiran je kroz cijevi od bambusa. Neki su ga naučnici proizvodili destilacijom ugljena i
koristili ga za rasvjetu i za napuhavanje balona na vrući zrak. Godine 1885. Robert Bunsen
razvio je plamenik koji lako miješa zrak i prirodni plin. Time je osigurano učinkovito i
kontrolirano sredstvo za sagorijevanje plina za proizvodnju topline za zagrijavanje zgrada i
kuhanje hrane. Industrija prirodnog plina je zapravo rođena u Sjedinjenim Državama tokom
devetnaestog stoljeća kada se plin uglavnom koristio kao gorivo za svjetiljke. Prvi plinovod bio
je izgrađen 1870. godine. Bio je dug 40 km, a cijevi su bile izrađene od šupljih stabala borova.
Dvije godine kasnije za transport prirodnih materijala korišteni su metalni cjevovodi za plin.
Danas, dužina mreže plinovoda u SAD-u je više od 1,5 miliona km.
2.1. NASTANAK NAFTE I PLINA
Nafta i prirodni plin su nastali od uginulih morskih organizama (zooplankton, fitoplankton,
školjke, alge, životinje itd.) zakopane u sedimente pijeska i blata. Kako je vrijeme prolazilo,
slojevi organskog materijala i taloga su se deponovali. Zbog pritiska gornjih slojeva, mješavina
organskih tvari i sedimenata se u donjim slojevima progresivno pretvara u sedimentne stijene.
Ovi sedimenti su ostali u okeanu milijunima godina. U odsustvu kiseonika organski materijali
zarobljeni u sedimentima pretvoreni su u naftu i gas. Dva glavna fenomena regulišu stvaranje
nafte i gasa: slijeganje i zbijanje. Progresivna akumulacija sedimenata u ušćima i deltama
formira sedimentne bazene. Pod povećanjem težine sedimenata dno sedimentnih bazena se
spušta, što omogućava nagomilavanje novih sedimenata. Fizički, hemijski i biološki procesi
zajedno se nazivaju dijageneza, koja vodi do formiranja stijena. Ove stijene, koje sadrže
transformisane organske materije, obično se nazivaju izvorne stijene. Na višim
temperaturama i pritiscima metamorfnom rekristalizacijom može doći do pojave stijena. Da
bi se organska materija sadržana u sedimentu mogla transformisati u spojeve bogate
ugljenikom i ne reciklirati u biosferu, medij mora biti bez kiseonika. U ovom slučaju organska
materija se pretvara u organski materijal nazvan kerogen. Postoji nekoliko vrsta kerogena i,
pod specifičnim uslovima pritiska i temperature, sedimentne stijene koje sadrže kerogen
mogu da proizvode naftu i plin. Pod povećanim pritiskom i temperaturom kerogen kuha i
postepeno se pretvara u sirovu naftu i plin. Temperatura od najmanje 60 °C je neophodna da
bi se započela transformacija u naftu, a temperatura od 120 °C za početak transformacije u
plin. U prosjeku, temperatura iznad 100 °C je dovoljna da transformiše kerogen u ugljovodike.
Što je temperatura viša, veća je vjerovatnoća da transformacija dovodi do stvaranja prirodnog
plina. Na slici 2.1. prikazana je količina sirove nafte i prirodnog gasa koji se obično proizvode
kao funkcija dubine.
11
Nafta ili sirova nafta i prirodni plin su organski ugljikovodici, nastali iz atoma ugljika i vodika.
Proizvedeni tokom procesa koji je trajao milione godina, oni su prvenstveno nastali iz biomase
oceana (planktona) koja je rasla zbog obilja solarne energije koja dopire do Zemljine površine.
Ti se ugljikovodici mogu promatrati kao skladišta za solarnu energiju, i njihovo izgaranje kao
sredstvo oslobađanja pohranjene energije. Zajedno s ugljenom, ovi izvori energije su ključni
za funkcioniranje moderne civilizacije.
Nafta i prirodni plin poznati su i koriste se od davnina. Spaljivanje nafte bilo je korišteno kao
oružje Perzijanaca protiv Grka. Prije nego što se počelo općenito koristi kao izvor energije,
glavna upotreba nafte je bila kao lijek ili kao sredstvo za ispiranje. U nekim regijama u zemlji
je otkriven i prirodni plin. U Kini se prirodni plin koristi za kuhanje još od desetog stoljeća,
transportiran je kroz cijevi od bambusa. Neki su ga naučnici proizvodili destilacijom ugljena i
koristili ga za rasvjetu i za napuhavanje balona na vrući zrak. Godine 1885. Robert Bunsen
razvio je plamenik koji lako miješa zrak i prirodni plin. Time je osigurano učinkovito i
kontrolirano sredstvo za sagorijevanje plina za proizvodnju topline za zagrijavanje zgrada i
kuhanje hrane. Industrija prirodnog plina je zapravo rođena u Sjedinjenim Državama tokom
devetnaestog stoljeća kada se plin uglavnom koristio kao gorivo za svjetiljke. Prvi plinovod bio
je izgrađen 1870. godine. Bio je dug 40 km, a cijevi su bile izrađene od šupljih stabala borova.
Dvije godine kasnije za transport prirodnih materijala korišteni su metalni cjevovodi za plin.
Danas, dužina mreže plinovoda u SAD-u je više od 1,5 miliona km.
2.1. NASTANAK NAFTE I PLINA
Nafta i prirodni plin su nastali od uginulih morskih organizama (zooplankton, fitoplankton,
školjke, alge, životinje itd.) zakopane u sedimente pijeska i blata. Kako je vrijeme prolazilo,
slojevi organskog materijala i taloga su se deponovali. Zbog pritiska gornjih slojeva, mješavina
organskih tvari i sedimenata se u donjim slojevima progresivno pretvara u sedimentne stijene.
Ovi sedimenti su ostali u okeanu milijunima godina. U odsustvu kiseonika organski materijali
zarobljeni u sedimentima pretvoreni su u naftu i gas. Dva glavna fenomena regulišu stvaranje
nafte i gasa: slijeganje i zbijanje. Progresivna akumulacija sedimenata u ušćima i deltama
formira sedimentne bazene. Pod povećanjem težine sedimenata dno sedimentnih bazena se
spušta, što omogućava nagomilavanje novih sedimenata. Fizički, hemijski i biološki procesi
zajedno se nazivaju dijageneza, koja vodi do formiranja stijena. Ove stijene, koje sadrže
transformisane organske materije, obično se nazivaju izvorne stijene. Na višim
temperaturama i pritiscima metamorfnom rekristalizacijom može doći do pojave stijena. Da
bi se organska materija sadržana u sedimentu mogla transformisati u spojeve bogate
ugljenikom i ne reciklirati u biosferu, medij mora biti bez kiseonika. U ovom slučaju organska
materija se pretvara u organski materijal nazvan kerogen. Postoji nekoliko vrsta kerogena i,
pod specifičnim uslovima pritiska i temperature, sedimentne stijene koje sadrže kerogen
mogu da proizvode naftu i plin. Pod povećanim pritiskom i temperaturom kerogen kuha i
postepeno se pretvara u sirovu naftu i plin. Temperatura od najmanje 60 °C je neophodna da
bi se započela transformacija u naftu, a temperatura od 120 °C za početak transformacije u
plin. U prosjeku, temperatura iznad 100 °C je dovoljna da transformiše kerogen u ugljovodike.
Što je temperatura viša, veća je vjerovatnoća da transformacija dovodi do stvaranja prirodnog
plina. Na slici 2.1. prikazana je količina sirove nafte i prirodnog gasa koji se obično proizvode
kao funkcija dubine.
UVOD U ENERGETIKU
12
Slika 2.1. Šema dubine na kojoj se izvorna stijena pretvara u ugljikovodike.
Sedimentni bazeni su bazeni sa slojevima debljine od nekoliko stotina metara do oko 20 km.
Ovi slojevi ostaju na platformama kristalnih stijena (metamorfne stijene, granitne stijene, itd.).
Kretanje tektonskih ploča uzrokuje pomicanje i deformaciju zemljine kore, a time i
sedimentnih bazena. Zbog kretanja tektonskih ploča i činjenica da se nivo mora mijenjao
tokom stoljeća, neki od sedimentnh bazena se sada mogu naći u unutrašnjosti. Težinom i
pritiskom u gornjim slojevima sedimenata počinje proces migracije, a početni ugljikovodici se
kreću nekoliko kilometara vertikalno i mnogo desetaka, ponekad i stotina kilometara bočno.
Kako pritisak raste, ugljikovodici se sporo spuštaju izbačeni iz izvorne stijene. Ovaj proces se
zove protjerivanje. Nafta i plin se zatim pomiješaju sa slanom vodom prisutnom u poroznom
okolnom mediju. Gas je lakši od nafte, a nafta je lakša od slane vode, zbog čega je gas na vrhu
a voda na dnu u ovoj smjesi, slika 2.2.
Slika 2.2. Šematski prikaz naslaga koje sadrže plin, naftu i vodu
Postoje različite kvalitete prirodnog plina, kao i različite kvalitete sirove nafte. Nafta i prirodni
plin se vrednuju drugačije. Skuplji su oni koji se lakše transformišu u korisna goriva.
2.2. PRONALAŽENJE NAFTE I PLINA
Najbolji rezervoari u smislu eksploatacije nafte ili plina su oni koji imaju dobru permeabilnost
i poroznost. Permeabilnost je mjera koliko dobro tekućina ili plin prolazi kroz stijenu.
Permeabilnost se mjeri na skali od 1 (najniži) do više od 13.000 (najviši). Poroznost je mjera
zapremine prostora unutar stijene u odnosu na ukupnu zapreminu stijene. Prosječna
poroznost rezervoara kreće se između 7 i 40%.
12
Slika 2.1. Šema dubine na kojoj se izvorna stijena pretvara u ugljikovodike.
Sedimentni bazeni su bazeni sa slojevima debljine od nekoliko stotina metara do oko 20 km.
Ovi slojevi ostaju na platformama kristalnih stijena (metamorfne stijene, granitne stijene, itd.).
Kretanje tektonskih ploča uzrokuje pomicanje i deformaciju zemljine kore, a time i
sedimentnih bazena. Zbog kretanja tektonskih ploča i činjenica da se nivo mora mijenjao
tokom stoljeća, neki od sedimentnh bazena se sada mogu naći u unutrašnjosti. Težinom i
pritiskom u gornjim slojevima sedimenata počinje proces migracije, a početni ugljikovodici se
kreću nekoliko kilometara vertikalno i mnogo desetaka, ponekad i stotina kilometara bočno.
Kako pritisak raste, ugljikovodici se sporo spuštaju izbačeni iz izvorne stijene. Ovaj proces se
zove protjerivanje. Nafta i plin se zatim pomiješaju sa slanom vodom prisutnom u poroznom
okolnom mediju. Gas je lakši od nafte, a nafta je lakša od slane vode, zbog čega je gas na vrhu
a voda na dnu u ovoj smjesi, slika 2.2.
Slika 2.2. Šematski prikaz naslaga koje sadrže plin, naftu i vodu
Postoje različite kvalitete prirodnog plina, kao i različite kvalitete sirove nafte. Nafta i prirodni
plin se vrednuju drugačije. Skuplji su oni koji se lakše transformišu u korisna goriva.
2.2. PRONALAŽENJE NAFTE I PLINA
Najbolji rezervoari u smislu eksploatacije nafte ili plina su oni koji imaju dobru permeabilnost
i poroznost. Permeabilnost je mjera koliko dobro tekućina ili plin prolazi kroz stijenu.
Permeabilnost se mjeri na skali od 1 (najniži) do više od 13.000 (najviši). Poroznost je mjera
zapremine prostora unutar stijene u odnosu na ukupnu zapreminu stijene. Prosječna
poroznost rezervoara kreće se između 7 i 40%.
UVOD U ENERGETIKU
13
Nekada je nafta bila mnogo vrednija od prirodnog plina. Trenutno je to prirodni plin, a
vrijednost resursa i svjetska potražnja za prirodnim plinom raste brže nego potražnja za
naftom. Energetske kompanije su stoga željne da pronađu nove rezervoare plina.
Pronalaženje ugljovodonika je težak posao. Početna istraživanja počinju sa opsežnim
geofizičkim istraživanjima. Oni se oslanjaju na konvencionalnu geologiju, snimanje iz zraka,
satelitske slike, mjerenja magnetnog polja. Nažalost, mnoge od ovih tehnika nisu korisne za
istraživanje dubokih podvodnih ležišta nafte. Srećom, razvijene su sofisticirane seizmičke
tehnike. Primjenjuju se seizmička mjerenja prostiranja i odbijanja zvučnih talasa. Zvučni valovi
se generišu ispod površine zemlje ili na površini okeana. Oni se prostiru kroz slojeve stijena,
odbijaju i prikupljaju u prijemnicima. Podaci sa prijemnika se analiziraju pomoću moćnih
kompjutera i tako je moguće dobiti precizne informacije o rezervoarima. Sa seizmičkim
mjerenjima moguće je čak i razlikovati naftu, prirodni plin i slanu vodu.
Tehnike bušenja nafte ili plina također imaju poboljšana. Upotrebljavaju se volframove ili
dijamantske bušilice. Snažna poboljšanja u rotacionom bušenju omogućavaju bušenje u tri
dimenzije, a ne samo vertikalno. Postoje tri glavne tehnike za poboljšanje iscrpavanja nafte.
Tehnika koja se najčešće koristi je toplotni oporavak, koji koristi vruću paru za snižavanje
viskoznosti nafte i poboljšava njenu sposobnost da protiče. Tehnika ubrizgavanja plina koristi
azot ili ugljen-dioksid da se poveća pritisak u rezervoaru i potisne nafta van. Tehnika
ubrizgavanja hemikalija sastoji se od ubrizgavanja deterdženata koji smanjuju površinski
napon nafte i tako se povećava protok nafte. Proizvodnja nafte ili plina iz rezervoara na moru
je teža nego na kopnu i zahtijeva velika ulaganja. Bušilice mogu biti postavljene iznad okeana
ako je dubina vode manja od 120 m. Za veće dubinem bušilice se moraju spustiti i usidriti na
dno. Danas je moguće iskoristiti locirane rezervoare na dubinama od 2.000 m (Meksički zaliv,
Angola, zapadna obala Afrike).
2.3. REZERVE NAFTE I PLINA
Trebalo je milijune godina da bi priroda proizvela postojeće rezervoare ugljikovodika. Samo
dio nafte može se crpiti uz prihvatljivu cijenu, koristeći tehnike koje su sada dostupne. Sve
rezerve nafte se klasificiraju na tri glavne kategorije. Prva kategorija se odnosi na „dokazane
rezerve“, koje su rezerve sirove nafte koje su razumno sigurne. U pogledu vjerojatnosti,
dokazane rezerve imaju 90% šanse da budu iskorištene. Druga kategorija, koja se naziva
„vjerojatne rezerve", uključuje one za koje se vjeruje imaju 50% šanse da budu iskorištene
pomoću trenutne tehnologije. „Moguće rezerve“ spadaju u treću kategoriju. Imaju 10% šanse
da budu iskorištene u budućnosti i trebaju vrlo povoljne okolnosti za to. Neki izvori nafte mogu
biti zanimljivi za iskorištavanje samo ako je cijena nafte iznad određene vrijednost. Trenutno
se nafta koristi brzinom koja teoretski može iscrpiti taj resurs za pola stoljeća. Trenutna
godišnja potrošnja nafte veća je od količine koja se otkriva svake godine. Ovakva situacija
postoji još od 1980-ih.
Na kraju 2006. godine 61,5% poznatih rezervi sirove nafte bilo je na Srednjem Istoku, kao što
se može vidjeti u tabeli 2.1. Europa i Euroazija imaju 12% rezervi, uglavnom u Ruskoj Federaciji
(6,6%) i u Kazahstanu (3,3%). Afrika ima 9,7%, najviše u Libiji (3,4%) i Nigeriji (3%). U Južnoj
Americi, nafta se uglavnom nalazi u Venezueli (6,6% svjetskih rezervi). Sjeverna Amerika ima
samo 5% (2,5% u SAD-u, 1,4% u Kanadi i 1,1% u Meksiku).
13
Nekada je nafta bila mnogo vrednija od prirodnog plina. Trenutno je to prirodni plin, a
vrijednost resursa i svjetska potražnja za prirodnim plinom raste brže nego potražnja za
naftom. Energetske kompanije su stoga željne da pronađu nove rezervoare plina.
Pronalaženje ugljovodonika je težak posao. Početna istraživanja počinju sa opsežnim
geofizičkim istraživanjima. Oni se oslanjaju na konvencionalnu geologiju, snimanje iz zraka,
satelitske slike, mjerenja magnetnog polja. Nažalost, mnoge od ovih tehnika nisu korisne za
istraživanje dubokih podvodnih ležišta nafte. Srećom, razvijene su sofisticirane seizmičke
tehnike. Primjenjuju se seizmička mjerenja prostiranja i odbijanja zvučnih talasa. Zvučni valovi
se generišu ispod površine zemlje ili na površini okeana. Oni se prostiru kroz slojeve stijena,
odbijaju i prikupljaju u prijemnicima. Podaci sa prijemnika se analiziraju pomoću moćnih
kompjutera i tako je moguće dobiti precizne informacije o rezervoarima. Sa seizmičkim
mjerenjima moguće je čak i razlikovati naftu, prirodni plin i slanu vodu.
Tehnike bušenja nafte ili plina također imaju poboljšana. Upotrebljavaju se volframove ili
dijamantske bušilice. Snažna poboljšanja u rotacionom bušenju omogućavaju bušenje u tri
dimenzije, a ne samo vertikalno. Postoje tri glavne tehnike za poboljšanje iscrpavanja nafte.
Tehnika koja se najčešće koristi je toplotni oporavak, koji koristi vruću paru za snižavanje
viskoznosti nafte i poboljšava njenu sposobnost da protiče. Tehnika ubrizgavanja plina koristi
azot ili ugljen-dioksid da se poveća pritisak u rezervoaru i potisne nafta van. Tehnika
ubrizgavanja hemikalija sastoji se od ubrizgavanja deterdženata koji smanjuju površinski
napon nafte i tako se povećava protok nafte. Proizvodnja nafte ili plina iz rezervoara na moru
je teža nego na kopnu i zahtijeva velika ulaganja. Bušilice mogu biti postavljene iznad okeana
ako je dubina vode manja od 120 m. Za veće dubinem bušilice se moraju spustiti i usidriti na
dno. Danas je moguće iskoristiti locirane rezervoare na dubinama od 2.000 m (Meksički zaliv,
Angola, zapadna obala Afrike).
2.3. REZERVE NAFTE I PLINA
Trebalo je milijune godina da bi priroda proizvela postojeće rezervoare ugljikovodika. Samo
dio nafte može se crpiti uz prihvatljivu cijenu, koristeći tehnike koje su sada dostupne. Sve
rezerve nafte se klasificiraju na tri glavne kategorije. Prva kategorija se odnosi na „dokazane
rezerve“, koje su rezerve sirove nafte koje su razumno sigurne. U pogledu vjerojatnosti,
dokazane rezerve imaju 90% šanse da budu iskorištene. Druga kategorija, koja se naziva
„vjerojatne rezerve", uključuje one za koje se vjeruje imaju 50% šanse da budu iskorištene
pomoću trenutne tehnologije. „Moguće rezerve“ spadaju u treću kategoriju. Imaju 10% šanse
da budu iskorištene u budućnosti i trebaju vrlo povoljne okolnosti za to. Neki izvori nafte mogu
biti zanimljivi za iskorištavanje samo ako je cijena nafte iznad određene vrijednost. Trenutno
se nafta koristi brzinom koja teoretski može iscrpiti taj resurs za pola stoljeća. Trenutna
godišnja potrošnja nafte veća je od količine koja se otkriva svake godine. Ovakva situacija
postoji još od 1980-ih.
Na kraju 2006. godine 61,5% poznatih rezervi sirove nafte bilo je na Srednjem Istoku, kao što
se može vidjeti u tabeli 2.1. Europa i Euroazija imaju 12% rezervi, uglavnom u Ruskoj Federaciji
(6,6%) i u Kazahstanu (3,3%). Afrika ima 9,7%, najviše u Libiji (3,4%) i Nigeriji (3%). U Južnoj
Americi, nafta se uglavnom nalazi u Venezueli (6,6% svjetskih rezervi). Sjeverna Amerika ima
samo 5% (2,5% u SAD-u, 1,4% u Kanadi i 1,1% u Meksiku).
UVOD U ENERGETIKU
14
Tabela 2.1. Dokazane rezerve sirove nafte.
Glavne naftne tvrtke kao što su Exxon, Shell, BP i Total kontroliraju samo 15% ukupne
proizvodnje nafte. Preostali dio je vlasništvo mnogih manjih entiteta. Na slici 2.3. prikazano je
sedam zemalja svijeta koje imaju najveće naftne rezerve. Nije iznenađujuće da ih je pet na
Bliskom istoku. To znači da će ostatak svijeta postati sve ovisniji od ovog područja u svijetu za
naftne resurse.
Slika 2.3. Sedam zemalja svijeta sa najvećim rezervama nafte.
Svjetska potrošnja prirodnog plina u 2006. godini iznosila je 2,87 Tm
3
. Trenutno postoji obilje
prirodnog plina, a količine otkrivene svake godine su veće od utrošene količine. Dokazane
zalihe prirodnog plina do kraja 2006. iznosile su 180,5 Tm
3
.Krajnje rezerve prema današnjim
ekonomskim i tehnološkim uvjetima iznose 400 Tm
3
.
U tablici 2.2. prikazani su udjeli dokazanih rezervi prirodnog plina za različite regije svijeta.
Većina njih koncentrirana je u Euroaziji i Europi. Srednji istok, uglavnom u Iranu (15,5%) i
Kataru (14%). U Africi, većina rezerve se nalaze u Nigeriji (2,9%) i Alžiru (2,5%). U Južnoj
Americi, postoje dobre rezerve u Venezueli (2,4%). U Sjevernoj Americi, SAD imaju 3%
globalnih rezervi prirodnog plina.
Tabela 2. Dokazane svjetske rezerve za različite regije svijeta
14
Tabela 2.1. Dokazane rezerve sirove nafte.
Glavne naftne tvrtke kao što su Exxon, Shell, BP i Total kontroliraju samo 15% ukupne
proizvodnje nafte. Preostali dio je vlasništvo mnogih manjih entiteta. Na slici 2.3. prikazano je
sedam zemalja svijeta koje imaju najveće naftne rezerve. Nije iznenađujuće da ih je pet na
Bliskom istoku. To znači da će ostatak svijeta postati sve ovisniji od ovog područja u svijetu za
naftne resurse.
Slika 2.3. Sedam zemalja svijeta sa najvećim rezervama nafte.
Svjetska potrošnja prirodnog plina u 2006. godini iznosila je 2,87 Tm
3
. Trenutno postoji obilje
prirodnog plina, a količine otkrivene svake godine su veće od utrošene količine. Dokazane
zalihe prirodnog plina do kraja 2006. iznosile su 180,5 Tm
3
.Krajnje rezerve prema današnjim
ekonomskim i tehnološkim uvjetima iznose 400 Tm
3
.
U tablici 2.2. prikazani su udjeli dokazanih rezervi prirodnog plina za različite regije svijeta.
Većina njih koncentrirana je u Euroaziji i Europi. Srednji istok, uglavnom u Iranu (15,5%) i
Kataru (14%). U Africi, većina rezerve se nalaze u Nigeriji (2,9%) i Alžiru (2,5%). U Južnoj
Americi, postoje dobre rezerve u Venezueli (2,4%). U Sjevernoj Americi, SAD imaju 3%
globalnih rezervi prirodnog plina.
Tabela 2. Dokazane svjetske rezerve za različite regije svijeta
UVOD U ENERGETIKU
15
Na slici 2.4. prikazano je sedam zemalja s najvećim dokazanim rezervama prirodnog plina.
Većina rezervi koncentrirana je u Rusiji, koja je vodeća zemlja u pogledu rezervi prirodnog
plina s 26,3%, Iran ima 15,5% i Katar 14%. U Africi se većina rezervi nalazi u Nigeriji.
Slika 2.4. Sedam pojedinačnih zemalja sa najvećim dokazanim rezervama plina
Prirodni plin se može transportirati cjevovodima ili kao tečni prirodni plin (LNG). Obje metode
su skupe i potrebno je mnogo vremena za otplaćivanje početne kapitalne investicije.
2.4. OSOBINE UGLJIKOVODIKA
Nafta se prerađuje kako bi se odvojile ili transformisale različite vrste molekula koje sadrže
korisne naftne proizvode, kao što su benzin za automobile, dizel gorivo, gorivo za avione itd.
Po količini, 1 barel sirove nafte daje 1,15 barela naftnih derivata. To proizlazi iz činjenice da se
tokom procesa prerade koriste različiti aditivi.
Tabela 2.3.Osobine različitih naftnih proizvoda.
Glavni nedostatak plina je da ima malu zapreminsku gustoću energije i zauzima veliku
zapreminu u usporedbi s naftom. To ga čini manje pogodnim za transport. Energija sadržana
u kubnom metru plina je gotovo ista kao enerija sadžana u 1 litri goriva.
Tabela 2.4.Osobine prirodnog plina
15
Na slici 2.4. prikazano je sedam zemalja s najvećim dokazanim rezervama prirodnog plina.
Većina rezervi koncentrirana je u Rusiji, koja je vodeća zemlja u pogledu rezervi prirodnog
plina s 26,3%, Iran ima 15,5% i Katar 14%. U Africi se većina rezervi nalazi u Nigeriji.
Slika 2.4. Sedam pojedinačnih zemalja sa najvećim dokazanim rezervama plina
Prirodni plin se može transportirati cjevovodima ili kao tečni prirodni plin (LNG). Obje metode
su skupe i potrebno je mnogo vremena za otplaćivanje početne kapitalne investicije.
2.4. OSOBINE UGLJIKOVODIKA
Nafta se prerađuje kako bi se odvojile ili transformisale različite vrste molekula koje sadrže
korisne naftne proizvode, kao što su benzin za automobile, dizel gorivo, gorivo za avione itd.
Po količini, 1 barel sirove nafte daje 1,15 barela naftnih derivata. To proizlazi iz činjenice da se
tokom procesa prerade koriste različiti aditivi.
Tabela 2.3.Osobine različitih naftnih proizvoda.
Glavni nedostatak plina je da ima malu zapreminsku gustoću energije i zauzima veliku
zapreminu u usporedbi s naftom. To ga čini manje pogodnim za transport. Energija sadržana
u kubnom metru plina je gotovo ista kao enerija sadžana u 1 litri goriva.
Tabela 2.4.Osobine prirodnog plina
UVOD U ENERGETIKU
16
2.5. NAFTNA POLJA
Područja s brojnim naftnim bušotinama nazivaju se naftnim poljima. Postoji više od 40.000
naftnih polja širom svijeta. Neka su na kopnu a neka na moru. Oko 40% globalnih rezervi nafte
nalazi se u više od 900 divovskih naftnih i plinskih polja u 27 regija, uglavnom u Perzijskom
zaljevu i u zapadnom Sibiru. One sadrže oko 500 milijuna ekvivalenata barela nafte. Naftna
polja s najvećom dnevnom proizvodnjom prikazana su na slici 2.5.
Slika 2.5. Deset najvećih svjetskih naftnih polja s najvećom proizvodnjom i godinama otkrića
2.6. POTROŠNJA I CIJENE
Ukupna svjetska potrošnja primarne energije u 2004. godini iznosila je 11,2 Gtoe. Potrošnja
sirove nafte bila je 3,9 Gtoe, a prirodnog plina 2,3 Gtoe. Potrošnja ugljena je bila 2,8 Gtoe.
Prema tome, fosilna goriva predstavljaju oko 80% globalne primarne potrošnje energije.
Godine 1990. svjetska potrošnja primarne energije iznosila je 8,7 Gtoe sa sljedećim udjelima:
nafta (3,2 Gtoe), prirodni plin (1,7 Gtoe) i ugljen (2,2 Gtoe). Ponovno su fosilna goriva osigurala
80% primarne energije Budući da se ukupna potrošnja energije povećala za 28% i udio fosilnih
goriva se nije promijenilo, ukupan porast potrošnje fosilnih goriva je također bio oko 28%.
Troškovi istraživanja naftnih polja u prosjeku iznose od 1-2 $ po barelu. Proizvodni trošak je
od 2-3 $ po barelu. Na teže pristupačnim područjima troškovi proizvodnje mogu dosegnuti od
10-15 $ (npr. Sjeverno more). Troškovi prevoza variraju zavisno od udaljenosti. Za transport
nafte s Bliskog istoka u Evropu obično košta 1-1.5 $. Krajem 2007. godine CIF (početni trošak,
trošak osiguranja i teret) bio je oko 5 $ po barelu za naftu sa bliskog istoka. Cijena naftnih
derivata, naravno, varira kao i cijena sirove nafte. Trošak proizvodnje nafte prilično se razlikuje
od tržišne cijene. Troškovi nafte na Bliskom istoku odvratili su naftne tvrtke od ulaganja u
naftna polja s znatno većim proizvodnim troškovima. Stoga je moguće da bi svijet mogao biti
suočen s nedostatkom sirove nafte zbog nedostatka ulaganja u područja viših troškova. Na
slici 2.6. prikazana je promjena cijene nafte između 1980. i 2010. godine.
To naglo povećanje od 2000. godine ukazuje na to da ulazimo u razdoblje u kojem će nafta
vjerojatno ostati skupa. Cijene nafte dosegle su u 2008. godini oko 150 $ po barelu, ali su od
tada pale. Povijest cijena prirodnog plina pokazuje evoluciju sličnu onoj kod nafte. Međutim,
cijene prirodnog plina su mnogo više ovisne o mjestu na kojem se isporučuje jer je trošak
prevoza značajniji dio ukupnih troškova.
16
2.5. NAFTNA POLJA
Područja s brojnim naftnim bušotinama nazivaju se naftnim poljima. Postoji više od 40.000
naftnih polja širom svijeta. Neka su na kopnu a neka na moru. Oko 40% globalnih rezervi nafte
nalazi se u više od 900 divovskih naftnih i plinskih polja u 27 regija, uglavnom u Perzijskom
zaljevu i u zapadnom Sibiru. One sadrže oko 500 milijuna ekvivalenata barela nafte. Naftna
polja s najvećom dnevnom proizvodnjom prikazana su na slici 2.5.
Slika 2.5. Deset najvećih svjetskih naftnih polja s najvećom proizvodnjom i godinama otkrića
2.6. POTROŠNJA I CIJENE
Ukupna svjetska potrošnja primarne energije u 2004. godini iznosila je 11,2 Gtoe. Potrošnja
sirove nafte bila je 3,9 Gtoe, a prirodnog plina 2,3 Gtoe. Potrošnja ugljena je bila 2,8 Gtoe.
Prema tome, fosilna goriva predstavljaju oko 80% globalne primarne potrošnje energije.
Godine 1990. svjetska potrošnja primarne energije iznosila je 8,7 Gtoe sa sljedećim udjelima:
nafta (3,2 Gtoe), prirodni plin (1,7 Gtoe) i ugljen (2,2 Gtoe). Ponovno su fosilna goriva osigurala
80% primarne energije Budući da se ukupna potrošnja energije povećala za 28% i udio fosilnih
goriva se nije promijenilo, ukupan porast potrošnje fosilnih goriva je također bio oko 28%.
Troškovi istraživanja naftnih polja u prosjeku iznose od 1-2 $ po barelu. Proizvodni trošak je
od 2-3 $ po barelu. Na teže pristupačnim područjima troškovi proizvodnje mogu dosegnuti od
10-15 $ (npr. Sjeverno more). Troškovi prevoza variraju zavisno od udaljenosti. Za transport
nafte s Bliskog istoka u Evropu obično košta 1-1.5 $. Krajem 2007. godine CIF (početni trošak,
trošak osiguranja i teret) bio je oko 5 $ po barelu za naftu sa bliskog istoka. Cijena naftnih
derivata, naravno, varira kao i cijena sirove nafte. Trošak proizvodnje nafte prilično se razlikuje
od tržišne cijene. Troškovi nafte na Bliskom istoku odvratili su naftne tvrtke od ulaganja u
naftna polja s znatno većim proizvodnim troškovima. Stoga je moguće da bi svijet mogao biti
suočen s nedostatkom sirove nafte zbog nedostatka ulaganja u područja viših troškova. Na
slici 2.6. prikazana je promjena cijene nafte između 1980. i 2010. godine.
To naglo povećanje od 2000. godine ukazuje na to da ulazimo u razdoblje u kojem će nafta
vjerojatno ostati skupa. Cijene nafte dosegle su u 2008. godini oko 150 $ po barelu, ali su od
tada pale. Povijest cijena prirodnog plina pokazuje evoluciju sličnu onoj kod nafte. Međutim,
cijene prirodnog plina su mnogo više ovisne o mjestu na kojem se isporučuje jer je trošak
prevoza značajniji dio ukupnih troškova.
UVOD U ENERGETIKU
17
Slika 6. Promjena cijena nafte između 1980-2010 godine.
2.7. PROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE
Nafta se uglavnom koristi za transport i u petrohemijskoj industriji, a rjeđe za proizvodnju
električne energije. Nasuprot tome, prirodni gas se u velikoj meri koristi se za proizvodnju
električne energije. Njegova glavna prednost je da ima manji uticaj na životnu sredinu od uglja.
Druga prednost su nove tehnologije, kao što su plinske elektrane s kombiniranim ciklusom,
koje ostvare efikasnosti između 55 i 60%.
Slika 2.7. Raspodjela izvora primarne energije
Prije deset godina električna energija proizvedena u plinskim elektranama bila je jeftinija od
energije dobijene u elektranama na ugalj. Ovo trenutno nije slučaj. Danas je prirodni plin oko
tri puta skuplji od uglja. Cijena nafte je znatno porasla u posljednjih nekoliko godina. Međutim,
elektrane na plin emituju samo oko polovinu količine CO2 u odnosu na količinu CO2 koja se
emituje u elektranama na ugalj, i druge emisije, čestice prašine, na primer, mnogo su niže.
Princip rada plinske elektrane sa jednim ciklusom prikazan je na slici 2.8. Komprimirani zrak i
prirodni plin se spaljuju u komori za sagorevanje pri gotovo konstantnom pritisku. Izduvni
gasovi iz komore za sagorijevanje imaju početnu temperaturu oko 1.500 °C. Pri prolasku kroz
turbinu imaju temperaturu između 1.200 i 1.450 °C, a prije ispuštanja u atmosferu njihova
temperatura je blizu 600 °C. Ova toplota se obično gubi. Međutim, moguće je smanjiti gubitke
pomoću izmjenjivača toplote. Efikasnost pojedinačne gasne turbine od 40 MW je oko 40%.
Malo je manja za turbine od 200 do 300 MW (38%)
17
Slika 6. Promjena cijena nafte između 1980-2010 godine.
2.7. PROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE
Nafta se uglavnom koristi za transport i u petrohemijskoj industriji, a rjeđe za proizvodnju
električne energije. Nasuprot tome, prirodni gas se u velikoj meri koristi se za proizvodnju
električne energije. Njegova glavna prednost je da ima manji uticaj na životnu sredinu od uglja.
Druga prednost su nove tehnologije, kao što su plinske elektrane s kombiniranim ciklusom,
koje ostvare efikasnosti između 55 i 60%.
Slika 2.7. Raspodjela izvora primarne energije
Prije deset godina električna energija proizvedena u plinskim elektranama bila je jeftinija od
energije dobijene u elektranama na ugalj. Ovo trenutno nije slučaj. Danas je prirodni plin oko
tri puta skuplji od uglja. Cijena nafte je znatno porasla u posljednjih nekoliko godina. Međutim,
elektrane na plin emituju samo oko polovinu količine CO2 u odnosu na količinu CO2 koja se
emituje u elektranama na ugalj, i druge emisije, čestice prašine, na primer, mnogo su niže.
Princip rada plinske elektrane sa jednim ciklusom prikazan je na slici 2.8. Komprimirani zrak i
prirodni plin se spaljuju u komori za sagorevanje pri gotovo konstantnom pritisku. Izduvni
gasovi iz komore za sagorijevanje imaju početnu temperaturu oko 1.500 °C. Pri prolasku kroz
turbinu imaju temperaturu između 1.200 i 1.450 °C, a prije ispuštanja u atmosferu njihova
temperatura je blizu 600 °C. Ova toplota se obično gubi. Međutim, moguće je smanjiti gubitke
pomoću izmjenjivača toplote. Efikasnost pojedinačne gasne turbine od 40 MW je oko 40%.
Malo je manja za turbine od 200 do 300 MW (38%)
UVOD U ENERGETIKU
18
Slika 2.8.Princip rada plinske elektrane sa jednim ciklusom
Više snage se može dobiti tehnologijom kombinovane plinske turbine, koja se sastoji od dva
termodinamička ciklusa. Prvi je opisani gasni ciklus za gasnu turbinu sa jednim ciklusom. Drugi
je parni ciklus. Princip najjednostavnije kombinovane plinske turbine je prikazan na slici 2.9.
Izduvni gasovi prve turbine, koji imaju temperature od 560 - 640 °C, prolaze kroz izmjenjivač
toplote gdje se proizvodi para, koja se koristi za pogon parne turbine. Kombinovane elektrane
ostvaruju efikasnost od 55-60%.
Slika 2.9.Princip rada kombinovane plinske elektrane.
Plinske turbine s jednim ciklusom imaju vrlo kratko vrijeme pokretanja (između 15 i 30 min) i
mogućnost brze promjene opterećenja. Plinske turbine kombinovanog ciklusa su manje
fleksibilne jer parni ciklus radi pod većim pritiskom. Mora se voditi računa da se izbjegnu
termička opterećenja. Prekid rada kombinovane elektrane može dovesti do kašnjenja u
ponovnom pokretanju. Ako se rad prekine za manje od 8 sati, puna snaga se može ponovno
uspostaviti za 40 - 50 min. Postizanje pune snage iz hladnog stanja traje 10 - 16 h. Tokom rada
moguće je promijeniti izlaznu snagu za 5% u minuti. Postoji nekoliko varijanti koje mogu
povećati fleksibilnost, na primjer kombinirajući dvije pojedinačne turbine sa parnom turbine.
2.8. UTICAJ NAFTE I PLINA NA ŽIVOTNU SREDINU
Upotreba nafte i prirodnog plina ima nekoliko uticaja na našu okolinu. Nafta i prirodni plin
sadrže ugljikove atome u svojim molekulama, a CO2 se emituje tokom njihovog sagorijevanja.
Proizvodnja 1 kWh električne energije sa upotrebom nafte proizvodi oko 700 - 800 g CO2, dok
prirodni plin proizvodi oko 480 - 780 g CO2, zavisno o korištenoj tehnologiji. Ako se koriste
odgovarajuće tehnologije, postoji jasna prednost za prirodni gas u odnosu na naftu što se tiče
emisije CO2. Pored toga, prirodni gas praktično ne proizvodi SO2 jer skoro da ne sadrži sumpor.
Emisije azotnih oksida su takođe niže od onih za ugalj ili naftu.
18
Slika 2.8.Princip rada plinske elektrane sa jednim ciklusom
Više snage se može dobiti tehnologijom kombinovane plinske turbine, koja se sastoji od dva
termodinamička ciklusa. Prvi je opisani gasni ciklus za gasnu turbinu sa jednim ciklusom. Drugi
je parni ciklus. Princip najjednostavnije kombinovane plinske turbine je prikazan na slici 2.9.
Izduvni gasovi prve turbine, koji imaju temperature od 560 - 640 °C, prolaze kroz izmjenjivač
toplote gdje se proizvodi para, koja se koristi za pogon parne turbine. Kombinovane elektrane
ostvaruju efikasnost od 55-60%.
Slika 2.9.Princip rada kombinovane plinske elektrane.
Plinske turbine s jednim ciklusom imaju vrlo kratko vrijeme pokretanja (između 15 i 30 min) i
mogućnost brze promjene opterećenja. Plinske turbine kombinovanog ciklusa su manje
fleksibilne jer parni ciklus radi pod većim pritiskom. Mora se voditi računa da se izbjegnu
termička opterećenja. Prekid rada kombinovane elektrane može dovesti do kašnjenja u
ponovnom pokretanju. Ako se rad prekine za manje od 8 sati, puna snaga se može ponovno
uspostaviti za 40 - 50 min. Postizanje pune snage iz hladnog stanja traje 10 - 16 h. Tokom rada
moguće je promijeniti izlaznu snagu za 5% u minuti. Postoji nekoliko varijanti koje mogu
povećati fleksibilnost, na primjer kombinirajući dvije pojedinačne turbine sa parnom turbine.
2.8. UTICAJ NAFTE I PLINA NA ŽIVOTNU SREDINU
Upotreba nafte i prirodnog plina ima nekoliko uticaja na našu okolinu. Nafta i prirodni plin
sadrže ugljikove atome u svojim molekulama, a CO2 se emituje tokom njihovog sagorijevanja.
Proizvodnja 1 kWh električne energije sa upotrebom nafte proizvodi oko 700 - 800 g CO2, dok
prirodni plin proizvodi oko 480 - 780 g CO2, zavisno o korištenoj tehnologiji. Ako se koriste
odgovarajuće tehnologije, postoji jasna prednost za prirodni gas u odnosu na naftu što se tiče
emisije CO2. Pored toga, prirodni gas praktično ne proizvodi SO2 jer skoro da ne sadrži sumpor.
Emisije azotnih oksida su takođe niže od onih za ugalj ili naftu.
UVOD U ENERGETIKU
19
Međutim, iako prirodni plin može emitovati između 40 i 50% manje CO2 od uglja i 25 - 30%
manje od nafte, procjenjuje se da dolazi do curenja tokom transporta i korištenja prirodnog
plina,i to u količini koja iznosi oko 2 - 4% od ukupnog iznosa prirodnog plina koji je potrošen u
svijetu. To odgovara oslobađanju od oko 25 - 50 Mt CH4 godišnje u atmosferu. CH4 je oko 23
puta efikasniji od CO2 kao staklenički plin. Ekološka prednost upotrebe prirodnog plina se
smanjuje kada se to uzme u obzir. Metan je također prisutan u rudnicima uglja. Metan se
emituje iz prirodnih močvara, plitkih jezera i iz privremeno plavljenih površina. Emisije se kreću
od 1 mg do 1 g CH4 po kvadratnom metru u zavisnosti od prirode regiona i klimatskih uslova.
Globalno, procjenjuje se da se oslobađa između 40 i 160 Mt CH4 godišnje iz prirodnih
močvarnih područja i između 60 i 140 Mt godišnje od polja riže. Količine metana koje se
emituju iz mora su mnogo manje. Otvorene deponije smeća ispuštaju između 30 i 70 Mt
metana godišnje. Globalno, količina metana koju emituju ljudske aktivnosti je 1,7 puta veća
od one koju emitiraju prirodni procesi.
Ispuštanje nafte ili naftnih derivata tokom transporta je također ekološki problem. Velika
količina nafte se transportuje morem. Ispuštanje nafte u okean može imati ozbiljan uticaj na
okoliš. Neke izlive nafte su prouzrokovale nesreće ili sudari, dok se drugi dešavaju tokom
punjenja ili pražnjenja u lukama i naftnim terminalima. Od 1967. desilo se deset izliva nafte sa
količinom većom od 100 Mt, i deset izliva sa količinom od 50 - 100 Mt.U proteklih 30 godina,
broj velikih izlijevanja (> 700 t) je značajno smanjen, kao što se može vidjeti na slici 2.10.
Slika 2.10. Broj izliva nafte u količini od preko 700 tona
Iako se događaju ozbiljne nesreće, 91% operativnih izliva nafte uključuje oslobađanje manje
od 7 tona nafte i izlivi nafte u okeane su znatno smanjeni u posljednjih nekoliko godina. Većina
zagađenja dolazi od iskorištenog motornog ulja ispuštenog u vodotokove i od rutinskog
održavanja broda. Ilegalna ispuštanja otpada iz brodova koji žele izbjeći troškove koji se
odnose na operacije odlaganja u lukama su uobičajeni.
Prirodni plin može takođe dovesti do ozbiljnih nesreća usljed eksplozija. Na primer, 2003. i
2004. godine dogodile su se dvije takve nesreće. Prva se dogodila na bušotini u Kini, kada su u
atmosferu ispušteni metan i H2 S. Desetine ljudi je poginulo, a na stotine teško povređeno.
Druga nesreća se dogodila u Alžiru (u Skidi). Eksplozija se dogodila u terminalu za LNG, koja je
ubila 27 ljudi i ranila mnogo više.
19
Međutim, iako prirodni plin može emitovati između 40 i 50% manje CO2 od uglja i 25 - 30%
manje od nafte, procjenjuje se da dolazi do curenja tokom transporta i korištenja prirodnog
plina,i to u količini koja iznosi oko 2 - 4% od ukupnog iznosa prirodnog plina koji je potrošen u
svijetu. To odgovara oslobađanju od oko 25 - 50 Mt CH4 godišnje u atmosferu. CH4 je oko 23
puta efikasniji od CO2 kao staklenički plin. Ekološka prednost upotrebe prirodnog plina se
smanjuje kada se to uzme u obzir. Metan je također prisutan u rudnicima uglja. Metan se
emituje iz prirodnih močvara, plitkih jezera i iz privremeno plavljenih površina. Emisije se kreću
od 1 mg do 1 g CH4 po kvadratnom metru u zavisnosti od prirode regiona i klimatskih uslova.
Globalno, procjenjuje se da se oslobađa između 40 i 160 Mt CH4 godišnje iz prirodnih
močvarnih područja i između 60 i 140 Mt godišnje od polja riže. Količine metana koje se
emituju iz mora su mnogo manje. Otvorene deponije smeća ispuštaju između 30 i 70 Mt
metana godišnje. Globalno, količina metana koju emituju ljudske aktivnosti je 1,7 puta veća
od one koju emitiraju prirodni procesi.
Ispuštanje nafte ili naftnih derivata tokom transporta je također ekološki problem. Velika
količina nafte se transportuje morem. Ispuštanje nafte u okean može imati ozbiljan uticaj na
okoliš. Neke izlive nafte su prouzrokovale nesreće ili sudari, dok se drugi dešavaju tokom
punjenja ili pražnjenja u lukama i naftnim terminalima. Od 1967. desilo se deset izliva nafte sa
količinom većom od 100 Mt, i deset izliva sa količinom od 50 - 100 Mt.U proteklih 30 godina,
broj velikih izlijevanja (> 700 t) je značajno smanjen, kao što se može vidjeti na slici 2.10.
Slika 2.10. Broj izliva nafte u količini od preko 700 tona
Iako se događaju ozbiljne nesreće, 91% operativnih izliva nafte uključuje oslobađanje manje
od 7 tona nafte i izlivi nafte u okeane su znatno smanjeni u posljednjih nekoliko godina. Većina
zagađenja dolazi od iskorištenog motornog ulja ispuštenog u vodotokove i od rutinskog
održavanja broda. Ilegalna ispuštanja otpada iz brodova koji žele izbjeći troškove koji se
odnose na operacije odlaganja u lukama su uobičajeni.
Prirodni plin može takođe dovesti do ozbiljnih nesreća usljed eksplozija. Na primer, 2003. i
2004. godine dogodile su se dvije takve nesreće. Prva se dogodila na bušotini u Kini, kada su u
atmosferu ispušteni metan i H2 S. Desetine ljudi je poginulo, a na stotine teško povređeno.
Druga nesreća se dogodila u Alžiru (u Skidi). Eksplozija se dogodila u terminalu za LNG, koja je
ubila 27 ljudi i ranila mnogo više.
UVOD U ENERGETIKU
20
Ugalj, kao vrsta fosilnog goriva, je crna ili crno-smeđa, sedimentna stijena, sa sadržajem ugljika
od 30% (lignit) do 98% (antracit), pomiješanog s malim količinama sumpornih i azotnih
spojeva. Nastao je raspadanjem biljne tvari u močvarama tokom miliona godina. Ugalj se vadi
u ugljenokopima, a primarno se upotrebljava kao gorivo. Korištenje uglja kao izvora energije
ima dugu historiju. Kinezi koriste ugalj kao gorivo od 10.000 godina p.n.e. Također su ga
koristili za taljenje ruda. Ovaj resurs je također korišten u nekim dijelovima svijeta tokom
Bronzanog doba između 2.000-1.000 godina p.n.e. Arheolozi su nedavno otkrili da se ugalj
koristio i puno ranije, te da su ga germanski lovci koristili kao gorivo još prije 120.000 godina.
Međutim, od osamnaestog stoljeća, zbog povećanja nestašice drveta, Evropljani su počeli da
koriste ugalj, kako ne bi došlo do pada privrede. Ugalj je odigrao veliku ulogu u industriji čelika,
u prvom dijelu osamnaestog stoljeća, te je postao fosilno gorivo koje je omogućilo industrijsku
revoluciju krajem osamnaestog stoljeća. U 2005. godini, ugalj je još uvijek proizvodio 25%
svjetske primarne energije, što ga svrstava iza nafte (35%), ali ispred prirodnog plina (21%).
Zbog toga što su rezerve uglja ogromne u poređenju sa rezervama nafte i prirodnog plina, ugalj
je važan izvor energije za budućnost. Kina je danas najveći svjetski proizvođač i potrošač uglja.
3.1. GENEZA UGLJA
Ugalj je slojevita sedimentna stijena koja u sebi ima više od 30% C. Ugalj može biti organskog
i neorganskog sadržaja. Organski sadržaj je većinom ugljik, ali uključuje manje količine vodika,
kisika i azota. Ugalj može također sadržavati sumpor, kao i druge opasne elemente: As, Be, U,
Th, Hg, itd. Treset je nastao taloženjem mrtvog organskog materijala. Formira se u blatu koje
se u početku se nalazi u neposrednoj blizini mora (ušća, delte) ili izoliranog od mora. Ugalj
stvoren na ovaj način, nazivamo humusni ugalj. Druge vrste uglja, zvane sapropelski ugalj,
izrađene su od spore ili vodene biljke, u vodenoj okolini. Sapropelski ugalj čini 10% svjetske
rezerve. Kao i kod stvaranja nafte, organska tvar zakopana u sedimentima, prolazi kroz niz
složenih transformacija koje se odvijaju u 2 koraka. Prvi korak je biohemijska degradacija uz
pomoć bakterija i gljivica. Drugi korak je fizikalno-hemijska dekompozicija, proces ugljenisanja.
Faktori, kao što su klima i pH vode imaju uticaj na karakteristike uglja. Što je veći stepen
ugljenisanja, bolja je kvaliteta uglja. Stepen ugljenisanja je određen vrstom uglja, što je
pokazatelj njegove zrelosti.
3.2. RANG I KLASIFIKACIJA UGLJA
Vrijednost uglja i njegova upotreba kao energenta uveliko ovise o stepenu zrelosti, odnosno
njegovom stepenu ugljenisanja. Rang se dobije mjerenjem sadržaja vlage, kalorijske
vrijednosti i optičkih svojstava. Ugalj je složen heterogen materijal, koji se sastoji od mnogih
različitih organskih podjedinica, koje se zovu macerali. Macerali su najmanji subjekti koji se
mogu vidjeti pomoću mikroskopa. Oni su smjese spojeva sa specifičnim hemijskim i fizičkim
svojstvima. Macerali se mogu klasificirati u 3 skupine:
1. Vitrinitna skupina potiče od ugljenizacije drvenastog biljnog materijala kao što su korijeni,
debla, grane itd. To je najobilnija skupina koja čini 50-90% od sjevernoameričkog uglja.
2. Skupina liptinita potiče od dijelova biljaka otpornijih na raspadanje: spore, smolni i voskasti
dijelovi, itd. Ovi ugalj čini od 5-15% sjevernoameričkog uglja.
3. Inertinitna skupina sadrži materijal koji je izmijenjen i prije razlaganja uglja. To je oksidirani
organski materijal ili fosilni ugalj. Inertinit je uobičajeni maceral u većini vrsta uglja.
20
Ugalj, kao vrsta fosilnog goriva, je crna ili crno-smeđa, sedimentna stijena, sa sadržajem ugljika
od 30% (lignit) do 98% (antracit), pomiješanog s malim količinama sumpornih i azotnih
spojeva. Nastao je raspadanjem biljne tvari u močvarama tokom miliona godina. Ugalj se vadi
u ugljenokopima, a primarno se upotrebljava kao gorivo. Korištenje uglja kao izvora energije
ima dugu historiju. Kinezi koriste ugalj kao gorivo od 10.000 godina p.n.e. Također su ga
koristili za taljenje ruda. Ovaj resurs je također korišten u nekim dijelovima svijeta tokom
Bronzanog doba između 2.000-1.000 godina p.n.e. Arheolozi su nedavno otkrili da se ugalj
koristio i puno ranije, te da su ga germanski lovci koristili kao gorivo još prije 120.000 godina.
Međutim, od osamnaestog stoljeća, zbog povećanja nestašice drveta, Evropljani su počeli da
koriste ugalj, kako ne bi došlo do pada privrede. Ugalj je odigrao veliku ulogu u industriji čelika,
u prvom dijelu osamnaestog stoljeća, te je postao fosilno gorivo koje je omogućilo industrijsku
revoluciju krajem osamnaestog stoljeća. U 2005. godini, ugalj je još uvijek proizvodio 25%
svjetske primarne energije, što ga svrstava iza nafte (35%), ali ispred prirodnog plina (21%).
Zbog toga što su rezerve uglja ogromne u poređenju sa rezervama nafte i prirodnog plina, ugalj
je važan izvor energije za budućnost. Kina je danas najveći svjetski proizvođač i potrošač uglja.
3.1. GENEZA UGLJA
Ugalj je slojevita sedimentna stijena koja u sebi ima više od 30% C. Ugalj može biti organskog
i neorganskog sadržaja. Organski sadržaj je većinom ugljik, ali uključuje manje količine vodika,
kisika i azota. Ugalj može također sadržavati sumpor, kao i druge opasne elemente: As, Be, U,
Th, Hg, itd. Treset je nastao taloženjem mrtvog organskog materijala. Formira se u blatu koje
se u početku se nalazi u neposrednoj blizini mora (ušća, delte) ili izoliranog od mora. Ugalj
stvoren na ovaj način, nazivamo humusni ugalj. Druge vrste uglja, zvane sapropelski ugalj,
izrađene su od spore ili vodene biljke, u vodenoj okolini. Sapropelski ugalj čini 10% svjetske
rezerve. Kao i kod stvaranja nafte, organska tvar zakopana u sedimentima, prolazi kroz niz
složenih transformacija koje se odvijaju u 2 koraka. Prvi korak je biohemijska degradacija uz
pomoć bakterija i gljivica. Drugi korak je fizikalno-hemijska dekompozicija, proces ugljenisanja.
Faktori, kao što su klima i pH vode imaju uticaj na karakteristike uglja. Što je veći stepen
ugljenisanja, bolja je kvaliteta uglja. Stepen ugljenisanja je određen vrstom uglja, što je
pokazatelj njegove zrelosti.
3.2. RANG I KLASIFIKACIJA UGLJA
Vrijednost uglja i njegova upotreba kao energenta uveliko ovise o stepenu zrelosti, odnosno
njegovom stepenu ugljenisanja. Rang se dobije mjerenjem sadržaja vlage, kalorijske
vrijednosti i optičkih svojstava. Ugalj je složen heterogen materijal, koji se sastoji od mnogih
različitih organskih podjedinica, koje se zovu macerali. Macerali su najmanji subjekti koji se
mogu vidjeti pomoću mikroskopa. Oni su smjese spojeva sa specifičnim hemijskim i fizičkim
svojstvima. Macerali se mogu klasificirati u 3 skupine:
1. Vitrinitna skupina potiče od ugljenizacije drvenastog biljnog materijala kao što su korijeni,
debla, grane itd. To je najobilnija skupina koja čini 50-90% od sjevernoameričkog uglja.
2. Skupina liptinita potiče od dijelova biljaka otpornijih na raspadanje: spore, smolni i voskasti
dijelovi, itd. Ovi ugalj čini od 5-15% sjevernoameričkog uglja.
3. Inertinitna skupina sadrži materijal koji je izmijenjen i prije razlaganja uglja. To je oksidirani
organski materijal ili fosilni ugalj. Inertinit je uobičajeni maceral u većini vrsta uglja.
UVOD U ENERGETIKU
21
Najbolji ugljevi, poput antracita, obično se nazivaju „tvrdim“ ugljem, dok oni poput lignita
nazivaju se „mekim“ ugljem.
Za statističke svrhe ugalj se klasificira u različite kategorije:
• Lignit je mineralna sirovina koja se najracionalnije upotrebljava kao energetsko gorivo za
proizvodnju energije. On je smeđe-crne boje i ima veliki sadržaj vlage, koji nekada dostiže
i do 66%. Toplinska moć uglja kreće se od 10-20 MJ/kg. Lignit se može podijeliti u dvije
vrste: ksiloidni lignit (fosilno drvo) i kompaktni lignit.
• Subituminozni ugalj je neaglomeracijski ugalj sa kaloričnom vrijednošću od 14,3 MJ/kg do
17,4 MJ/kg.
• Bitominozni ugalj i antracit su neaglomeracijski ugljevi koji imaju kaloričnu vrijednost veću
od 17,4 MJ/kg.
• Antracit ima kaloričnu vrijednost reda 30 MJ/kg.
Kako bi se pojednostavilo, često se koriste dvije glavne kategorije uglja: smeđi ugalj i antracit.
Također, definisane su dvije kvalitete uglja: koksni ugalj, što odgovara kvaliteti uglja koji
omogućavaju proizvodnju koksa, koji se može koristiti u visokim pećima, i parni ugalj,
pogodan za upotrebu u parnim kotlovima. Parni ugalj, koji se često koristi u elektranama je
subitumenizirani ugalj s kaloričnom vrijednošću u rasponu od 5,2.- 9,1. KWh/kg.
Slika 3.1. Svjetski udio rezervi uglja u različitim rangovima
Slika 3.2. Različiti tipovi uglja
21
Najbolji ugljevi, poput antracita, obično se nazivaju „tvrdim“ ugljem, dok oni poput lignita
nazivaju se „mekim“ ugljem.
Za statističke svrhe ugalj se klasificira u različite kategorije:
• Lignit je mineralna sirovina koja se najracionalnije upotrebljava kao energetsko gorivo za
proizvodnju energije. On je smeđe-crne boje i ima veliki sadržaj vlage, koji nekada dostiže
i do 66%. Toplinska moć uglja kreće se od 10-20 MJ/kg. Lignit se može podijeliti u dvije
vrste: ksiloidni lignit (fosilno drvo) i kompaktni lignit.
• Subituminozni ugalj je neaglomeracijski ugalj sa kaloričnom vrijednošću od 14,3 MJ/kg do
17,4 MJ/kg.
• Bitominozni ugalj i antracit su neaglomeracijski ugljevi koji imaju kaloričnu vrijednost veću
od 17,4 MJ/kg.
• Antracit ima kaloričnu vrijednost reda 30 MJ/kg.
Kako bi se pojednostavilo, često se koriste dvije glavne kategorije uglja: smeđi ugalj i antracit.
Također, definisane su dvije kvalitete uglja: koksni ugalj, što odgovara kvaliteti uglja koji
omogućavaju proizvodnju koksa, koji se može koristiti u visokim pećima, i parni ugalj,
pogodan za upotrebu u parnim kotlovima. Parni ugalj, koji se često koristi u elektranama je
subitumenizirani ugalj s kaloričnom vrijednošću u rasponu od 5,2.- 9,1. KWh/kg.
Slika 3.1. Svjetski udio rezervi uglja u različitim rangovima
Slika 3.2. Različiti tipovi uglja
UVOD U ENERGETIKU
22
3.2.1. Treset
Treset je mladi organski materijal u usporedbi s ugljenom. Izrađen je od biljne tvari koja nije u
potpunosti pretvorena u ugalj. On je pomiješan s deponiranim mineralom. Procjena resursa
treseta je neprecizna. Konvencijom se zove zemlja tresetišta, ako je dubina treseta veća od 20
cm na dreniranom (isušenom) zemljištu, ili 30 cm na nedreniranom (neisušenom) zemljištu.
Treset nastaje kada biljni materijal u močvarnim područjima ne može truliti djelovanjem
kiseline u anaerobnim uvjetima. Treset se koristi u: poljoprivredi, kao sredstvo rasta, za
poboljšavanje osobina tla, kao energent za proizvodnju električne energije, u organskoj hemiji
itd. Glavni proizvođači i potrošači treseta su: Irska, Finska, Rusija, Ukrajina i Švedska.Treset se
koristi u tri glavna oblika: treset od trske (ploče treseta koje se koriste kao kućno gorivo),
mljeveni treset, briketi (mali blokovi suhog, visoko komprimiranog treseta, koji se koristi za
kućno gorivo). Većina modernih tresetišta formirano je na visokim geografskim širinama,
nakon povlačenja ledenjaka prije otprilike 9.000 godina.
Slika 3.3. Distribucija tresetišta
Slika 3.4. Proizvodnja i potrošnja treseta u različitim područjima
22
3.2.1. Treset
Treset je mladi organski materijal u usporedbi s ugljenom. Izrađen je od biljne tvari koja nije u
potpunosti pretvorena u ugalj. On je pomiješan s deponiranim mineralom. Procjena resursa
treseta je neprecizna. Konvencijom se zove zemlja tresetišta, ako je dubina treseta veća od 20
cm na dreniranom (isušenom) zemljištu, ili 30 cm na nedreniranom (neisušenom) zemljištu.
Treset nastaje kada biljni materijal u močvarnim područjima ne može truliti djelovanjem
kiseline u anaerobnim uvjetima. Treset se koristi u: poljoprivredi, kao sredstvo rasta, za
poboljšavanje osobina tla, kao energent za proizvodnju električne energije, u organskoj hemiji
itd. Glavni proizvođači i potrošači treseta su: Irska, Finska, Rusija, Ukrajina i Švedska.Treset se
koristi u tri glavna oblika: treset od trske (ploče treseta koje se koriste kao kućno gorivo),
mljeveni treset, briketi (mali blokovi suhog, visoko komprimiranog treseta, koji se koristi za
kućno gorivo). Većina modernih tresetišta formirano je na visokim geografskim širinama,
nakon povlačenja ledenjaka prije otprilike 9.000 godina.
Slika 3.3. Distribucija tresetišta
Slika 3.4. Proizvodnja i potrošnja treseta u različitim područjima
UVOD U ENERGETIKU
23
3.3. KORIŠTENJE I REZERVE UGLJA
Ugalj se prvenstveno koristi kao gorivo. Više od tri četvrtine potražnje je za proizvodnju
električne energije. Također se koristi kao kućno gorivo za kuhanje i grijanje, te kao sirovina u
karbohemiji za proizvodnju boja, tekstila, gnojiva itd. Osim toga, ugalj je ključan za proizvodnju
čelika. Za proizvodnju 1.000 kg čelika potrebno je 600 kg ugljena. Cijena uglja i njegova
upotreba zavise od njegovih osobina. Cijena varira u odnosu na porijeklo uglja. Ugalj visoke
kvalitete je nešto skuplji. U energetskom sektoru ugalj se uglavnom koristi za proizvodnju
električne energije. Pretpostavljajući da naftne peći imaju 80% efikasnosti, a ugljene peći 70%,
proizvodnja toplote koristeći ugalj je jeftinija, nego korištenjem nafte. Procijenjene rezerve
uglja odgovaraju onim količinama uglja koje se smatraju ekonomski isplative, uz korištenje
trenutno raspoložive tehnologije. U praksi, to znači da se slojevi uglja nalaze na dubinama do
1.800 m, i imaju debljine veće od 30-50 cm.
Slično kao i nafta i prirodni plin, rezerve uglja se mogu klasifikovati kao dokazane, naznačene
ili moguće. Dokazani resursi uključuju samo naslage uglja koje su poznate iz direktnog
mjerenja i analize. Razlikuju se dvije glavne kategorije: dokazane rezerve, koje se lako mogu
otkriti u budućnosti, i procijenjene dodatne rezerve za koje se opravdano vjeruje da će se moći
otkriti u budućnosti. Na slici 3.5 prikazane su dokazane rezerve triju vrsta uglja: bituminozni
plus antracit, subituminozni i lignit. Na slici 3.6. su prikazane zemlje s najvećim dokazanim
rezervama uglja. Većina rezervi (83%) nalazi se u Sjevernoj Americi, Europi i Aziji.
Slika 3.5. Dokazane nadoknadive rezerve na kraju 2005.
Slika 3.6. Deset zemalja s najvećim brojem ukupno dokazanih rezervi uglja
23
3.3. KORIŠTENJE I REZERVE UGLJA
Ugalj se prvenstveno koristi kao gorivo. Više od tri četvrtine potražnje je za proizvodnju
električne energije. Također se koristi kao kućno gorivo za kuhanje i grijanje, te kao sirovina u
karbohemiji za proizvodnju boja, tekstila, gnojiva itd. Osim toga, ugalj je ključan za proizvodnju
čelika. Za proizvodnju 1.000 kg čelika potrebno je 600 kg ugljena. Cijena uglja i njegova
upotreba zavise od njegovih osobina. Cijena varira u odnosu na porijeklo uglja. Ugalj visoke
kvalitete je nešto skuplji. U energetskom sektoru ugalj se uglavnom koristi za proizvodnju
električne energije. Pretpostavljajući da naftne peći imaju 80% efikasnosti, a ugljene peći 70%,
proizvodnja toplote koristeći ugalj je jeftinija, nego korištenjem nafte. Procijenjene rezerve
uglja odgovaraju onim količinama uglja koje se smatraju ekonomski isplative, uz korištenje
trenutno raspoložive tehnologije. U praksi, to znači da se slojevi uglja nalaze na dubinama do
1.800 m, i imaju debljine veće od 30-50 cm.
Slično kao i nafta i prirodni plin, rezerve uglja se mogu klasifikovati kao dokazane, naznačene
ili moguće. Dokazani resursi uključuju samo naslage uglja koje su poznate iz direktnog
mjerenja i analize. Razlikuju se dvije glavne kategorije: dokazane rezerve, koje se lako mogu
otkriti u budućnosti, i procijenjene dodatne rezerve za koje se opravdano vjeruje da će se moći
otkriti u budućnosti. Na slici 3.5 prikazane su dokazane rezerve triju vrsta uglja: bituminozni
plus antracit, subituminozni i lignit. Na slici 3.6. su prikazane zemlje s najvećim dokazanim
rezervama uglja. Većina rezervi (83%) nalazi se u Sjevernoj Americi, Europi i Aziji.
Slika 3.5. Dokazane nadoknadive rezerve na kraju 2005.
Slika 3.6. Deset zemalja s najvećim brojem ukupno dokazanih rezervi uglja
UVOD U ENERGETIKU
24
3.4. PROIZVODNJA I POTROŠNJA
Vađenje uglja zavisi od prirode ležišta uglja (dubina i kvaliteta nalazišta) i tehnologije koja se
koristi za sakupljanje ugljena. Dubina uglja uveliko zavisi o regiji (manje od 100 m na Apalačima
u SAD, 400 m u Francuskoj, a više od 700 m u Ruhru u Njemačkoj). Produktivnost rudara ovisi
o uslovima pod kojima je ugalj izvađen. Na primjer, to iznosi oko 300 tona uglja godišnje po
jednom rudaru u Kini, 4.000 tona u Južnoj Africi i 8.500 tona u SAD.
Prevoz uglja je skup i cijena tog energenta uveliko zavisi od udaljenosti između mjesta gdje je
proizveden i mjesta gdje se koristi. Historijski gledano, industrije koje koriste ugalj kao izvor
energije ili za druge svrhe se nalaze u neposrednoj blizini proizvodnih rudnika. Što je veća
kalorijska vrijednost uglja, to je veća cijena.
Slika 3.8. Proizvodnja i potrošnja ugljena
Ugalj ima veliki doprinos pri proizvodnji električne energije. U Europskoj uniji doprinos uglja je
nešto malo manji nego u drugim regijama. Međutim, ugalj će u budućnosti postati još važniji
energent, prije svega zbog velikih postojećih rezervi uglja.
Tabela 3.1. Doprinos uglja pri proizvodnji električne energije
24
3.4. PROIZVODNJA I POTROŠNJA
Vađenje uglja zavisi od prirode ležišta uglja (dubina i kvaliteta nalazišta) i tehnologije koja se
koristi za sakupljanje ugljena. Dubina uglja uveliko zavisi o regiji (manje od 100 m na Apalačima
u SAD, 400 m u Francuskoj, a više od 700 m u Ruhru u Njemačkoj). Produktivnost rudara ovisi
o uslovima pod kojima je ugalj izvađen. Na primjer, to iznosi oko 300 tona uglja godišnje po
jednom rudaru u Kini, 4.000 tona u Južnoj Africi i 8.500 tona u SAD.
Prevoz uglja je skup i cijena tog energenta uveliko zavisi od udaljenosti između mjesta gdje je
proizveden i mjesta gdje se koristi. Historijski gledano, industrije koje koriste ugalj kao izvor
energije ili za druge svrhe se nalaze u neposrednoj blizini proizvodnih rudnika. Što je veća
kalorijska vrijednost uglja, to je veća cijena.
Slika 3.8. Proizvodnja i potrošnja ugljena
Ugalj ima veliki doprinos pri proizvodnji električne energije. U Europskoj uniji doprinos uglja je
nešto malo manji nego u drugim regijama. Međutim, ugalj će u budućnosti postati još važniji
energent, prije svega zbog velikih postojećih rezervi uglja.
Tabela 3.1. Doprinos uglja pri proizvodnji električne energije
UVOD U ENERGETIKU
25
3.5. SAGORIJEVANJE UGLJA ZA PROIZVODNJU ENERGIJE
Izgaranje uglja u prahu, glavna je tehnologija koja se koristi za proizvodnju električne energije.
Prednost ove tehnologije je raspoloživost širokog raspona uglja koji se mogu koristiti kao
gorivo. Ugalj u prahu sagorijeva na temperaturama 1.500 – 1.700 °C, ako se koristi bituminozni
ugalj, odnosno 1.300 – 1.600 °C, ako se koristi ugalj niskog ranga. Toplina nastala u plameniku
prenosi se kroz izmjenjivač toplote za proizvodnju pregrijane pare. Ova para visoke
temperature i visokog pritiska ekspandira u parnoj turbini, koja pokreće generator električne
energije, slika 3.9. Više od 90% termoelektrana na ugalj koristi izgaranje uglja u prahu.
Postrojenja za izgaranje uglja u prahu mogu imati snagu između 50 i 1.300 MW, ali većina
novih ima snagu oko 300 MW.
Slika 3.9. Šematski prikaz termoelektrane
Napredne tehnologije sagorijevanje uglja koriste tzv. superkritični ili ultra-superkritični uslov
za pogon elektrana. Pod superkritičnim uslovima se podrazumijeva pritisak pregrijane pare
iznad 250 bara, pri temperaturi koja je viša od 565
O
C, pri čemu se može postići efikasnost veća
od 40%. Ultra-superkritični uslovi se postižu pri pritisku višem od 300 bara i temperaturi višoj
od 585
o
C. Razvoj ovakvih tehnologija bio je moguć, zbog dostupnosti novih materijala i
mogućnosti korištenja pod vrlo zahtjevnim uslovima.
3.5.1. Sagorijevanje uglja u fluidiziranom sloju
Sagorijevanje u fluidiziranom sloju omogućava veoma efikasno sagorijevanje uglja uz manje
zagađenje okoline i predstavlja najperspektivnije rješenje korištenja niskokaloričnih ugljeva sa
većim sadržajem štetnih materija, posebno sumpora.
Fluidizirani sloj se u osnovi sastoji od ispune od čestica inertnog materijala (najčešće pepeo),
koje lebde ili se kreću unutar sloja. Na dnu sloja se nalazi distribuciona ploča sa većim brojem
sitnih otvora kroz koje prolazi zrak velikom brzinom, ostvarujući turbulentno kretanje čestica.
Početno zagrijavanje fluidiziranog sloja se ostvaruje pomoćnim grijačima, dok se ne postigne
temperatura od 500
o
C, kada se uvodi gorivo i započinje proces sagorijevanja. Odvođenjem
toplote putem snopa cijevi izmjenjivača toplote, postavljenih direktno u fluidiziranom sloju,
održava se radna temperatura od 850 – 900
o
C.
25
3.5. SAGORIJEVANJE UGLJA ZA PROIZVODNJU ENERGIJE
Izgaranje uglja u prahu, glavna je tehnologija koja se koristi za proizvodnju električne energije.
Prednost ove tehnologije je raspoloživost širokog raspona uglja koji se mogu koristiti kao
gorivo. Ugalj u prahu sagorijeva na temperaturama 1.500 – 1.700 °C, ako se koristi bituminozni
ugalj, odnosno 1.300 – 1.600 °C, ako se koristi ugalj niskog ranga. Toplina nastala u plameniku
prenosi se kroz izmjenjivač toplote za proizvodnju pregrijane pare. Ova para visoke
temperature i visokog pritiska ekspandira u parnoj turbini, koja pokreće generator električne
energije, slika 3.9. Više od 90% termoelektrana na ugalj koristi izgaranje uglja u prahu.
Postrojenja za izgaranje uglja u prahu mogu imati snagu između 50 i 1.300 MW, ali većina
novih ima snagu oko 300 MW.
Slika 3.9. Šematski prikaz termoelektrane
Napredne tehnologije sagorijevanje uglja koriste tzv. superkritični ili ultra-superkritični uslov
za pogon elektrana. Pod superkritičnim uslovima se podrazumijeva pritisak pregrijane pare
iznad 250 bara, pri temperaturi koja je viša od 565
O
C, pri čemu se može postići efikasnost veća
od 40%. Ultra-superkritični uslovi se postižu pri pritisku višem od 300 bara i temperaturi višoj
od 585
o
C. Razvoj ovakvih tehnologija bio je moguć, zbog dostupnosti novih materijala i
mogućnosti korištenja pod vrlo zahtjevnim uslovima.
3.5.1. Sagorijevanje uglja u fluidiziranom sloju
Sagorijevanje u fluidiziranom sloju omogućava veoma efikasno sagorijevanje uglja uz manje
zagađenje okoline i predstavlja najperspektivnije rješenje korištenja niskokaloričnih ugljeva sa
većim sadržajem štetnih materija, posebno sumpora.
Fluidizirani sloj se u osnovi sastoji od ispune od čestica inertnog materijala (najčešće pepeo),
koje lebde ili se kreću unutar sloja. Na dnu sloja se nalazi distribuciona ploča sa većim brojem
sitnih otvora kroz koje prolazi zrak velikom brzinom, ostvarujući turbulentno kretanje čestica.
Početno zagrijavanje fluidiziranog sloja se ostvaruje pomoćnim grijačima, dok se ne postigne
temperatura od 500
o
C, kada se uvodi gorivo i započinje proces sagorijevanja. Odvođenjem
toplote putem snopa cijevi izmjenjivača toplote, postavljenih direktno u fluidiziranom sloju,
održava se radna temperatura od 850 – 900
o
C.
UVOD U ENERGETIKU
26
Efikasnost sagorijevanja u fluidiziranom sloju može poboljšati hermetičko sagorijevanje, što je
posebno korisna tehnologija za sagorijevanje niskokaloričnog uglja. Pri tome se zrak ubrizgava
pod pritiskom između 12 i 25 bara, i sagorijevanje se odvija između 800-900°C. Toplinska
učinkovitost elektrana za sagorijevanje u fluidiziranom sloju je veća od 40%.
3.6. KOMBINOVANA PROIZVODNJA TOPLOTE I ENERGIJE
U kombinovanoj proizvodnji, električna energija i toplina se proizvodi u isto vrijeme. Ovaj
proces se naziva kogeneracija. Kao posljedica, povećava se ukupna efikasnost, s obzirom da je
ukupna isporučena električna energija, plus toplina, za datu količinu goriva značajno veća. Za
efikasno provođenje kogeneracije, turbina mora biti posebno projektovana i dovoljno
fleksibilna da proizvodi samo električnu energiju ili električnu energiju i toplotu istovremeno.
Trenutno, kogeneracija se češće koristi s prirodnim plinom nego s ugljem.
3.7. KOMBINOVANI PROCES SA INTEGRISANIM UPLINJAVANJEM
Kombinovani proces sa integrisanim uplinjavanjem (Integrated Gasification Combined Cycle)
je tehnologija u kojoj se ugalj, biomasa, ili otpad pretvara u sintetski plin. Zatim se odstranjuju
nečistoće iz nastalog plina prije izgaranja, te nastoji pretvoriti sve zagađivače u koristan
nusprodukt. To rezultira nižim emisijama sumpor dioksida i drugih čestica. Nekoliko IGCC
elektrana, tipične veličine oko 250 MW, djeluju u Europi i Sjedinjenim Američkim Državama.
Sintetički plin se proizvodi u jedinici za rasplinjavanje. To je uglavnom smjesa vodika i ugljen
monoksida. Princip IGCC elektrane prikazan je na slici 3.10. Plinifikatori (aparati za
rasplinjavanje) su velike posude pod pritiskom, u rasponu od 20 do 80 bari i na temperaturi
između 1.300-1.600 °C. Proces uplinjavanja može se provoditi sa ugljem koji sadrži visok
postotak sumpora, ostataka nafte i biomase. Rasplinjavanje uglja je namjerno nepotpuno
izgaranje, prouzročeno nedovoljnim pristupom kisika. To se obavlja u posebnim pećima pri
čemu se teži za što većim postotkom H2 i CO u proizvedenom plinu. Na rešetku unutar peći je
nasut visok sloj uglja. Ugalj izgara u struji zraka obogaćenog kisikom.
Slika 3.10. Princip rada IGCC elektrane
26
Efikasnost sagorijevanja u fluidiziranom sloju može poboljšati hermetičko sagorijevanje, što je
posebno korisna tehnologija za sagorijevanje niskokaloričnog uglja. Pri tome se zrak ubrizgava
pod pritiskom između 12 i 25 bara, i sagorijevanje se odvija između 800-900°C. Toplinska
učinkovitost elektrana za sagorijevanje u fluidiziranom sloju je veća od 40%.
3.6. KOMBINOVANA PROIZVODNJA TOPLOTE I ENERGIJE
U kombinovanoj proizvodnji, električna energija i toplina se proizvodi u isto vrijeme. Ovaj
proces se naziva kogeneracija. Kao posljedica, povećava se ukupna efikasnost, s obzirom da je
ukupna isporučena električna energija, plus toplina, za datu količinu goriva značajno veća. Za
efikasno provođenje kogeneracije, turbina mora biti posebno projektovana i dovoljno
fleksibilna da proizvodi samo električnu energiju ili električnu energiju i toplotu istovremeno.
Trenutno, kogeneracija se češće koristi s prirodnim plinom nego s ugljem.
3.7. KOMBINOVANI PROCES SA INTEGRISANIM UPLINJAVANJEM
Kombinovani proces sa integrisanim uplinjavanjem (Integrated Gasification Combined Cycle)
je tehnologija u kojoj se ugalj, biomasa, ili otpad pretvara u sintetski plin. Zatim se odstranjuju
nečistoće iz nastalog plina prije izgaranja, te nastoji pretvoriti sve zagađivače u koristan
nusprodukt. To rezultira nižim emisijama sumpor dioksida i drugih čestica. Nekoliko IGCC
elektrana, tipične veličine oko 250 MW, djeluju u Europi i Sjedinjenim Američkim Državama.
Sintetički plin se proizvodi u jedinici za rasplinjavanje. To je uglavnom smjesa vodika i ugljen
monoksida. Princip IGCC elektrane prikazan je na slici 3.10. Plinifikatori (aparati za
rasplinjavanje) su velike posude pod pritiskom, u rasponu od 20 do 80 bari i na temperaturi
između 1.300-1.600 °C. Proces uplinjavanja može se provoditi sa ugljem koji sadrži visok
postotak sumpora, ostataka nafte i biomase. Rasplinjavanje uglja je namjerno nepotpuno
izgaranje, prouzročeno nedovoljnim pristupom kisika. To se obavlja u posebnim pećima pri
čemu se teži za što većim postotkom H2 i CO u proizvedenom plinu. Na rešetku unutar peći je
nasut visok sloj uglja. Ugalj izgara u struji zraka obogaćenog kisikom.
Slika 3.10. Princip rada IGCC elektrane
UVOD U ENERGETIKU
27
3.8. TEHNOLOGIJA UGALJ-TEČNOST
Rezerve uglja su znatno veće od zaliha sirove nafte, ali su tečna goriva mnogo prikladnija za
korištenje od uglja, pogotovo u nekim granama, kao što je transport. Stoga se razvija
tehnologija konverzije uglja u tečnost. Postoje dva zajednička pristupa pri rastapanju uglja:
1. Direktan proces koji koristi tehnike koje su izvorno razvijene u Njemačkoj (1910.-1927.)
2. Fischer – Tropsch-ova sinteza, indirektni proces kojeg su razvila dva njemačka hemičara,
koji su krenuli od izuma iz 1913. od strane kompanije BASF.
3.8.1. Direktno rastapanje uglja
Direktno rastapanje uglja (Coal to Liquid - CTL) je proces koji se koristi s bitumenskim i
subbituminoznim ugljem. Pojednostavljeni princip je sljedeći: ugalj se reducira na prašak koji
se miješa s vakuumskim plinom (dobiveni proizvod iz vakuumske destilacije uglja), prije nego
što prođe hidrokrekiranje u reaktoru. Konačni proizvodi su odvojeni, a prolaze djelomično
hidroobradu. Vakuumsko gorivo se šalje nazad u reaktor, dok sintetizirani dizel, pomiješan s
naftom, prolazi hidroobradu, kako bi se zadovoljile sve specifikacije za gorivo.
3.8.2. Indirektno rastapanje uglja
Prvi korak u ovom procesu je pretvaranje uglja u sintetski plin pomoću čistog kisika. Sintetski
plin, koji ima H2/CO u rasponu 0,5 – 0,8 se transformiše se u reaktoru, i dostiže omjer H2/CO
od 2, što je pogodnije za Fischer-Tropsch reakciju. Nakon uklanjanja nečistoća iz sintetskog
plina, izvodi se Fischer - Tropsch reakcija, nakon čega slijedi izomerizacija da se dobiju svojstva
pogodna za goriva. Ovako dobiveno dizelsko gorivo je vrlo čisto. Sadrži samo parafične
molekule i ima visok cetanski broj. Cetanski broj, mjera za vremensko kašnjenje između
početka ubrizgavanja i početka izgaranja dizela goriva, kvantificira kvalitetu izgaranja goriva.
Princip Fischer-Tropsch-ove metode uglja i tečnosti prikazan je na slici 3.11.
Slika 3.11. Princip sinteze Fischer - Tropsch
Ako se vodik proizvodi lokalno iz uglja, količina nafte i dizela proizvedena po toni uglja iznosi
oko 3,5 bbl/tona za direktnu CTL tehnologiju, i oko 2,5 bbl/tona za indirektnu CTL tehnologiju.
Glavna razlika između ove dvije tehnologije je kvaliteta proizvedenog dizela. Direktna CTL
tehnologija proizvodi dizelsko gorivo s cetanskim brojem ispod europskih specifikacija.
27
3.8. TEHNOLOGIJA UGALJ-TEČNOST
Rezerve uglja su znatno veće od zaliha sirove nafte, ali su tečna goriva mnogo prikladnija za
korištenje od uglja, pogotovo u nekim granama, kao što je transport. Stoga se razvija
tehnologija konverzije uglja u tečnost. Postoje dva zajednička pristupa pri rastapanju uglja:
1. Direktan proces koji koristi tehnike koje su izvorno razvijene u Njemačkoj (1910.-1927.)
2. Fischer – Tropsch-ova sinteza, indirektni proces kojeg su razvila dva njemačka hemičara,
koji su krenuli od izuma iz 1913. od strane kompanije BASF.
3.8.1. Direktno rastapanje uglja
Direktno rastapanje uglja (Coal to Liquid - CTL) je proces koji se koristi s bitumenskim i
subbituminoznim ugljem. Pojednostavljeni princip je sljedeći: ugalj se reducira na prašak koji
se miješa s vakuumskim plinom (dobiveni proizvod iz vakuumske destilacije uglja), prije nego
što prođe hidrokrekiranje u reaktoru. Konačni proizvodi su odvojeni, a prolaze djelomično
hidroobradu. Vakuumsko gorivo se šalje nazad u reaktor, dok sintetizirani dizel, pomiješan s
naftom, prolazi hidroobradu, kako bi se zadovoljile sve specifikacije za gorivo.
3.8.2. Indirektno rastapanje uglja
Prvi korak u ovom procesu je pretvaranje uglja u sintetski plin pomoću čistog kisika. Sintetski
plin, koji ima H2/CO u rasponu 0,5 – 0,8 se transformiše se u reaktoru, i dostiže omjer H2/CO
od 2, što je pogodnije za Fischer-Tropsch reakciju. Nakon uklanjanja nečistoća iz sintetskog
plina, izvodi se Fischer - Tropsch reakcija, nakon čega slijedi izomerizacija da se dobiju svojstva
pogodna za goriva. Ovako dobiveno dizelsko gorivo je vrlo čisto. Sadrži samo parafične
molekule i ima visok cetanski broj. Cetanski broj, mjera za vremensko kašnjenje između
početka ubrizgavanja i početka izgaranja dizela goriva, kvantificira kvalitetu izgaranja goriva.
Princip Fischer-Tropsch-ove metode uglja i tečnosti prikazan je na slici 3.11.
Slika 3.11. Princip sinteze Fischer - Tropsch
Ako se vodik proizvodi lokalno iz uglja, količina nafte i dizela proizvedena po toni uglja iznosi
oko 3,5 bbl/tona za direktnu CTL tehnologiju, i oko 2,5 bbl/tona za indirektnu CTL tehnologiju.
Glavna razlika između ove dvije tehnologije je kvaliteta proizvedenog dizela. Direktna CTL
tehnologija proizvodi dizelsko gorivo s cetanskim brojem ispod europskih specifikacija.
UVOD U ENERGETIKU
28
3.9. IZDVAJANJE I ODLAGANJE UGLJIKA
Fosilna goriva su ključna za privredni razvoj, te će proći još dugo vremena prije nego što se
značajno smanji ovisnost o tim gorivima, a veći dio energetskih potreba zamijeni sa drugim
izvorima. Spaljivanje fosilnih goriva dovodi do emisije ugljen dioksida, što dovodi do povećanja
stakleničkih efekata i može imati ozbiljne posljedice po klimu na Zemlji. Postoji nekoliko načina
da se to zaustavi. Praktična kontrola emisije CO2 zahtijeva paralelni pristup, kroz koji bi bila:
1. Smanjena potrošnja fosilnih goriva. To se može učiniti upotrebom izvora energije koji ne
emituju ugljik (obnovljivi izvori energije i upotrebom nuklearne energije), kao zamjenu za
fosilna goriva, te razvijanjem naprednijih tehnologija za korištenje fosilnih goriva.
2. Emitovni CO2 u velikim objektima koje sagorijevaju fosilna goriva se mora izdvojiti i
deonovati.
3. Izdvajanje i skladištenje CO2 je važan izazov. Da bi ova mjera bila efikasna protiv globalnog
zagrijavanja, skladištenje CO2 mora trajati stoljećima.
3.9.1. Izdvajanje
Velika količina CO2 koju ispuštaju pogoni za proizvodnju električne energije, slika 3.12,
ograničava broj mogućih tehnologija za izdvajanje CO2.
Slika 3.12. Emisija CO2 iz stacionarnih izvora
Odgovarajuća tehnologija zavisi o prirodi tehnologije elektrane, koja određuje karakteristike
struje plina iz koje se CO2 mora izdvojiti. Trenutno se koriste 3 glavne tehnologije:
1. Metoda izdvajanja CO2 nakon sagorijevanja iz dimnih gasova;
2. Metoda izdvajanja prije sagorijevanja, pri čemu je gorivo prvo pretvoreno u H2 i CO2 prije
sagorijevanja;
3. Metoda sagorijevanja sa oksi gorivom.
28
3.9. IZDVAJANJE I ODLAGANJE UGLJIKA
Fosilna goriva su ključna za privredni razvoj, te će proći još dugo vremena prije nego što se
značajno smanji ovisnost o tim gorivima, a veći dio energetskih potreba zamijeni sa drugim
izvorima. Spaljivanje fosilnih goriva dovodi do emisije ugljen dioksida, što dovodi do povećanja
stakleničkih efekata i može imati ozbiljne posljedice po klimu na Zemlji. Postoji nekoliko načina
da se to zaustavi. Praktična kontrola emisije CO2 zahtijeva paralelni pristup, kroz koji bi bila:
1. Smanjena potrošnja fosilnih goriva. To se može učiniti upotrebom izvora energije koji ne
emituju ugljik (obnovljivi izvori energije i upotrebom nuklearne energije), kao zamjenu za
fosilna goriva, te razvijanjem naprednijih tehnologija za korištenje fosilnih goriva.
2. Emitovni CO2 u velikim objektima koje sagorijevaju fosilna goriva se mora izdvojiti i
deonovati.
3. Izdvajanje i skladištenje CO2 je važan izazov. Da bi ova mjera bila efikasna protiv globalnog
zagrijavanja, skladištenje CO2 mora trajati stoljećima.
3.9.1. Izdvajanje
Velika količina CO2 koju ispuštaju pogoni za proizvodnju električne energije, slika 3.12,
ograničava broj mogućih tehnologija za izdvajanje CO2.
Slika 3.12. Emisija CO2 iz stacionarnih izvora
Odgovarajuća tehnologija zavisi o prirodi tehnologije elektrane, koja određuje karakteristike
struje plina iz koje se CO2 mora izdvojiti. Trenutno se koriste 3 glavne tehnologije:
1. Metoda izdvajanja CO2 nakon sagorijevanja iz dimnih gasova;
2. Metoda izdvajanja prije sagorijevanja, pri čemu je gorivo prvo pretvoreno u H2 i CO2 prije
sagorijevanja;
3. Metoda sagorijevanja sa oksi gorivom.
UVOD U ENERGETIKU
29
Slika 3.13. Načela različitih načina izdvajanja CO2
Tehnologija izdvajanja nakon sagorijevanja je temeljito istražena. Izvedena je iz postupka
razvijenog prije više od 60 godina da bi se uklonili kiseli, nečisti gasovi tokom rafiniranja ili
eksploatacije polja plina, a temelji se na hemijskoj apsorpciji. Ugljen dioksid se otapa u otopini,
a oslobađa se kada se ova otopina zagrijava. Drugi plinovi i pare se oslobađaju u atmosferu. U
isto vrijeme otopina se regeneriše (obnavlja). Hemijski proces je:
2??????−�??????
2+??????�
2→??????−�??????−??????�
2
−
+??????−�??????
3
+
Kada je R = -CH2CH2OH, ova hemijska reakcija odgovara procesu apsorpcije. Karbamatni jon
RNH CO2 je stabilan, ali se može razgraditi natrag u CO2 slijedećom reakcijom regeneracije:
??????−�??????−??????�
2
−
+??????−�??????
3
+
+ℎ??????????????????→2??????−�??????
2+??????�
2
Ovom metodom se izdavaja oko 75-95 % CO2. Među nedostacima je činjenica da je potrebna
velika količina toplote u postupku regeneracije, jer je karbamatni jon prilično stabilan. To
nameće visoke energetske potrebe cijelog postupka. Za 80-85% apsorbovanog CO2, gubitak
energije iznosi 8-10 % u najboljim slučajevima, a gubitak može biti veći od 20%.
3.9.2. Odlaganje
Nakon izdvajanja, potrebno je izvršiti odlaganje CO2 sa mjesta na kojem je uzet, do mjesta gdje
se može skladištiti. Kao i u slučaju prirodnog gasa, CO2 se može prenositi cjevovodima (na
kopnu ili moru), ili brodom. Kopneni cjevovodi su jeftiniji.
Postoje tri glavne mogućnosti za skladištenje CO2:
1. U dubokim geološkim formacijama;
2. U dubokom oceanu, ali to nije prihvatljivo rješenje zbog mogućih utjecaja na morsku vodu;
3. U obliku mineralnih karbonata.
Na mjestu skladištenja, CO2 se ubrizgava u geološku formaciju do velikih dubina. Za geološke
formacije postoji nekoliko glavnih mogućnosti:
1. Duboki slani vodonosnici koji sadrže slanice, tako da se ne mogu koristiti kao pitka voda.
2. Iscrpljena naftna i plinska polja;
29
Slika 3.13. Načela različitih načina izdvajanja CO2
Tehnologija izdvajanja nakon sagorijevanja je temeljito istražena. Izvedena je iz postupka
razvijenog prije više od 60 godina da bi se uklonili kiseli, nečisti gasovi tokom rafiniranja ili
eksploatacije polja plina, a temelji se na hemijskoj apsorpciji. Ugljen dioksid se otapa u otopini,
a oslobađa se kada se ova otopina zagrijava. Drugi plinovi i pare se oslobađaju u atmosferu. U
isto vrijeme otopina se regeneriše (obnavlja). Hemijski proces je:
2??????−�??????
2+??????�
2→??????−�??????−??????�
2
−
+??????−�??????
3
+
Kada je R = -CH2CH2OH, ova hemijska reakcija odgovara procesu apsorpcije. Karbamatni jon
RNH CO2 je stabilan, ali se može razgraditi natrag u CO2 slijedećom reakcijom regeneracije:
??????−�??????−??????�
2
−
+??????−�??????
3
+
+ℎ??????????????????→2??????−�??????
2+??????�
2
Ovom metodom se izdavaja oko 75-95 % CO2. Među nedostacima je činjenica da je potrebna
velika količina toplote u postupku regeneracije, jer je karbamatni jon prilično stabilan. To
nameće visoke energetske potrebe cijelog postupka. Za 80-85% apsorbovanog CO2, gubitak
energije iznosi 8-10 % u najboljim slučajevima, a gubitak može biti veći od 20%.
3.9.2. Odlaganje
Nakon izdvajanja, potrebno je izvršiti odlaganje CO2 sa mjesta na kojem je uzet, do mjesta gdje
se može skladištiti. Kao i u slučaju prirodnog gasa, CO2 se može prenositi cjevovodima (na
kopnu ili moru), ili brodom. Kopneni cjevovodi su jeftiniji.
Postoje tri glavne mogućnosti za skladištenje CO2:
1. U dubokim geološkim formacijama;
2. U dubokom oceanu, ali to nije prihvatljivo rješenje zbog mogućih utjecaja na morsku vodu;
3. U obliku mineralnih karbonata.
Na mjestu skladištenja, CO2 se ubrizgava u geološku formaciju do velikih dubina. Za geološke
formacije postoji nekoliko glavnih mogućnosti:
1. Duboki slani vodonosnici koji sadrže slanice, tako da se ne mogu koristiti kao pitka voda.
2. Iscrpljena naftna i plinska polja;
UVOD U ENERGETIKU
30
Duboki vodonosnici predstavljaju najbolje mogućnosti u smislu volumena. Oni često imaju
prednost jer se nalaze u blizini postrojenja gdje se CO2 proizvodi. Iscrpljena naftna i plinska
polja su obično dobro geološki karakterizirana, međutim, postoje mogući problemi korozije.
Ugljen dioksid s vodom proizvodi kiselinu koja napada cement.
3.10. UTICAJ UGLJA NA OKOLINU
S obzirom da se očekuje da će broj energetskih postrojenja na ugalj značajno porasti, razvoj
čistih tehnologija (ili barem što je mouće čišćih tehnologija), uz razumne ekonomske troškove,
trebao bi biti glavni prioritet svima koji su odgovorni za energetsku politiku. Pokušaji da se
ublaže efekti zagađenja od tehnologija na ugalj uključuju:
1. Povećanje toplotne efikasnosti termoelektrana na ugalj, kako bi se proizvodilo više
električne energije sa istom količinom uglja;
2. Smanjenje ili uklanjanje zagađivača kao što su oksidi azota, oksidi sumpora, i čestice;
3. Smanjenje ili uklanjanje emisije CO2.
Mnoge od današnjih konvencionalnih tehnologija mogu biti znatno poboljšane, u smislu
povećanja efikasnosti i smanjenja atmosferskog zagađenja.
Slika 3.14. Emisije CO2 na 1.000 MW za različite vrste elektrana
30
Duboki vodonosnici predstavljaju najbolje mogućnosti u smislu volumena. Oni često imaju
prednost jer se nalaze u blizini postrojenja gdje se CO2 proizvodi. Iscrpljena naftna i plinska
polja su obično dobro geološki karakterizirana, međutim, postoje mogući problemi korozije.
Ugljen dioksid s vodom proizvodi kiselinu koja napada cement.
3.10. UTICAJ UGLJA NA OKOLINU
S obzirom da se očekuje da će broj energetskih postrojenja na ugalj značajno porasti, razvoj
čistih tehnologija (ili barem što je mouće čišćih tehnologija), uz razumne ekonomske troškove,
trebao bi biti glavni prioritet svima koji su odgovorni za energetsku politiku. Pokušaji da se
ublaže efekti zagađenja od tehnologija na ugalj uključuju:
1. Povećanje toplotne efikasnosti termoelektrana na ugalj, kako bi se proizvodilo više
električne energije sa istom količinom uglja;
2. Smanjenje ili uklanjanje zagađivača kao što su oksidi azota, oksidi sumpora, i čestice;
3. Smanjenje ili uklanjanje emisije CO2.
Mnoge od današnjih konvencionalnih tehnologija mogu biti znatno poboljšane, u smislu
povećanja efikasnosti i smanjenja atmosferskog zagađenja.
Slika 3.14. Emisije CO2 na 1.000 MW za različite vrste elektrana
UVOD U ENERGETIKU
31
Prosječna temperatura svemira je - 270 °C. Bez ikakvog izvora energije, Zemlja bi također bila
na ovoj temperaturi. Međutim, unutrašnjost Zemlje je vruća zbog početnog toplotnog prirasta
kada je formirana naša planeta i jer prirodni radioaktivni izotopi u zemlji nastavljaju da
oslobađaju energiju. Kroz geotermičku toplotu ova unutrašnja energija sporo se širi prema
površini. Ako bi ovaj tok bio jedini izvor energije, temperatura naše planete bi bila - 243 ° C i
vazduh bi bio tečnost. U stvari, mi stalno dobijamo jedan fluks energije od sunca koj je 4.000
puta veća od geotermalne energije. Ovo solarno zračenje čini našu planetu naseljivom.
Frakcija sunčeve energije koju Zemlja prima zavisi od efektivne površine Zemlje koja je vidljiva
sa Sunca. Ako bi Zemlju smatrali diskom radijusa RT, ova efektivna površina bi bila π(RT)
2
. U
prosjeku, solarna energija stiže na vrh Zemljine atmosfere duž linije koja je okomita na osu
koja spaja centre Sunca i Zemlje. Snaga po jedinici površine koja se vidi sa Sunca je 1.368 W/m
2
.
Ova količina se zove se solarna konstanta. Međutim, Zemlja je zapravo sfera ukupne površine
4π(RT)
2
i rotira sa regularnim periodom od 24 h. Određena tačka na Zemlji prolazi sukcesivno
kroz noć i dan, što znači da ne prima uvijek sunčevu svjetlost. Tako je prosječna snaga
primljena na vrhu Zemljine atmosfere po jedinici ukupne površine zemlje, dobivena
množenjem solarne konstante puta omjer π(RT)
2
/4π(RT)
2
= 1/4, što iznosi 342 W/m
2
. Moć
primljena u datoj lokacija se, naravno, može značajno razlikovati od ove vrijednosti. Naprimjer,
više energije po jedinici površine dolazi na ekvator nego blizu polova. Od ove prosječne snage
od 342 W/m
2
primljene na vrh Zemlje, jedna trećina (107 W/m
2
) se reflektuje prema prostoru:
oblacima i slojevima atmosfere s jedne strane (77 W/m
2
) i sa druge strane prema Zemljinoj
površini (30 W/m
2
). Preostali dio (235 W/m
2
) pretvara se u toplotu. Od ovoga, Zemljina
površina apsorbira 168 W/m
2
, a atmosfera i oblaci upijaju 67 W/m
2
.
Slika 4.1. Apsorpcija solarne energije
4.1. EFEKAT STAKLENIČKIH GASOVA
Energija koju apsorbira Zemljina atmosfera je apsolutno presudna za život. Bez ove apsorpcije
prosječna površinska temperatura na našoj planeti bi bila - 18 °C. Voda ne bi postojala u tečnoj
formi, a život se ne bi mogao razviti na isti način kao što jeste. Srećom, naša atmosfera sadrži
gasove koji su poznati kao staklenički gasovi, koji iako prisutni u malim količinama, u velikoj
31
Prosječna temperatura svemira je - 270 °C. Bez ikakvog izvora energije, Zemlja bi također bila
na ovoj temperaturi. Međutim, unutrašnjost Zemlje je vruća zbog početnog toplotnog prirasta
kada je formirana naša planeta i jer prirodni radioaktivni izotopi u zemlji nastavljaju da
oslobađaju energiju. Kroz geotermičku toplotu ova unutrašnja energija sporo se širi prema
površini. Ako bi ovaj tok bio jedini izvor energije, temperatura naše planete bi bila - 243 ° C i
vazduh bi bio tečnost. U stvari, mi stalno dobijamo jedan fluks energije od sunca koj je 4.000
puta veća od geotermalne energije. Ovo solarno zračenje čini našu planetu naseljivom.
Frakcija sunčeve energije koju Zemlja prima zavisi od efektivne površine Zemlje koja je vidljiva
sa Sunca. Ako bi Zemlju smatrali diskom radijusa RT, ova efektivna površina bi bila π(RT)
2
. U
prosjeku, solarna energija stiže na vrh Zemljine atmosfere duž linije koja je okomita na osu
koja spaja centre Sunca i Zemlje. Snaga po jedinici površine koja se vidi sa Sunca je 1.368 W/m
2
.
Ova količina se zove se solarna konstanta. Međutim, Zemlja je zapravo sfera ukupne površine
4π(RT)
2
i rotira sa regularnim periodom od 24 h. Određena tačka na Zemlji prolazi sukcesivno
kroz noć i dan, što znači da ne prima uvijek sunčevu svjetlost. Tako je prosječna snaga
primljena na vrhu Zemljine atmosfere po jedinici ukupne površine zemlje, dobivena
množenjem solarne konstante puta omjer π(RT)
2
/4π(RT)
2
= 1/4, što iznosi 342 W/m
2
. Moć
primljena u datoj lokacija se, naravno, može značajno razlikovati od ove vrijednosti. Naprimjer,
više energije po jedinici površine dolazi na ekvator nego blizu polova. Od ove prosječne snage
od 342 W/m
2
primljene na vrh Zemlje, jedna trećina (107 W/m
2
) se reflektuje prema prostoru:
oblacima i slojevima atmosfere s jedne strane (77 W/m
2
) i sa druge strane prema Zemljinoj
površini (30 W/m
2
). Preostali dio (235 W/m
2
) pretvara se u toplotu. Od ovoga, Zemljina
površina apsorbira 168 W/m
2
, a atmosfera i oblaci upijaju 67 W/m
2
.
Slika 4.1. Apsorpcija solarne energije
4.1. EFEKAT STAKLENIČKIH GASOVA
Energija koju apsorbira Zemljina atmosfera je apsolutno presudna za život. Bez ove apsorpcije
prosječna površinska temperatura na našoj planeti bi bila - 18 °C. Voda ne bi postojala u tečnoj
formi, a život se ne bi mogao razviti na isti način kao što jeste. Srećom, naša atmosfera sadrži
gasove koji su poznati kao staklenički gasovi, koji iako prisutni u malim količinama, u velikoj
UVOD U ENERGETIKU
32
mjeri su transparentni za slučaj izravnog sunčevog zračenja, ali sposobni da apsorbuju energiju
koja se emituje sa Zemljine zagrijane površine. Ova energija emituje se u svim smjerovima kao
infracrvena svjetlost. Apsorpcija Zemljinog infracrvenog zračenja povećava prosječnu
temperaturu od - 18 do + 15 °C, čineći našu planetu pogodnom za život. Rezultat je vrlo sličan
onome koji se koristi u staklenicima za uzgoj biljaka. Prozori staklenika su prozirni za vidljivo
sunčevo zračenje (solarna energija ulazi) ali apsorbovana energija koja se ispušta iz tla ili drugih
objekata u stakleniku ostaje zarobljena i povećava unutrašnju temperaturu. Atmosfera služi i
kao prozor za primanje sunčevog zračenja i apsorber za zarobljavanje dijela ponovno
emitiranog infracrvenog zračenja, ovaj efekat zagrijavanja poznat je kao „efekt staklenika“.
Trenutno postoji sve veća zabrinutost da povećanje koncentracije stakleničkih gasova može
negativno uticati na klimu na Zemlji. Značajan dio ovog povećanja je rezultat ljudskih
aktivnosti, posebno sagorijevanja fosilnih goriva, kao što su ugalj, nafta i plin. Pošto su ova
fosilna goriva od suštinskog značaja za sadašnje svjetske ekonomije i trenutno zadovoljavaju
oko 80% svjetske potražnje za energijom, značajno smanjenje njihove upotrebe nije izvodljivo
ako se ne uspostave dobre zamjene izvora energije.
Zemljina površina i atmosfera zrače energiju, ali pošto je njihova temperatura mnogo niža od
sunčeve, njihove emisije su u infracrvenom području. U ravnoteži, postoji stacionarno stanje
u kojem je primljena snaga od Sunca jednaka onoj koja se emituje sa Zemlje u svemir. Zato se
mora emitovati 342 W/m
2
. Ako to nije slučaj, prosječna temperatura naše planete bi se
povećavala ili smanjivala dok se ne postigne ravnoteža. Kao posljedica toga, mora se emitovati
235 W/m
2
infracrvenog zračenja ka prostoru na vrhu atmosfere. Ovo se dodaje na 107 W/m
2
koje odgovara reflektovanom sunčevom zračenju. Zračenje od 235 W/m
2
se sastoji od frakcije
infracrvenog zračenja koje dolazi iz tla koje ne zaustavlja atmosfera i dio infracrvenog zračenja
koje emitira atmosfera u smjeru prostora. Ako bi se izgubilo 235 W/m
2
emitovano sa Zemljine
površine, srednja temperatura na površini bi bila - 18 °C.
Zemljina površina, koja je na temperaturi od 15 ° C, emitira 390 W/m
2
. Najveći dio, 90% (350
W/m
2
), apsorbuje atmosfera i to je efekat staklenika. Ostatak (40 W/m
2
) ide u prostor.
Atmosfera, zagrijavana zračenjem Zemljinog tla i direktnim sunčevim zračenjem (67 W/m
2
),
također emitira u infracrvenom području u zavisnosti od njegove temperature. Atmosfera
tako zrači 195 W/m
2
prema prostoru i 324 W/m
2
prema površini koja apsorbira tu energiju.
Slika 4.2. Efekat staklenika
32
mjeri su transparentni za slučaj izravnog sunčevog zračenja, ali sposobni da apsorbuju energiju
koja se emituje sa Zemljine zagrijane površine. Ova energija emituje se u svim smjerovima kao
infracrvena svjetlost. Apsorpcija Zemljinog infracrvenog zračenja povećava prosječnu
temperaturu od - 18 do + 15 °C, čineći našu planetu pogodnom za život. Rezultat je vrlo sličan
onome koji se koristi u staklenicima za uzgoj biljaka. Prozori staklenika su prozirni za vidljivo
sunčevo zračenje (solarna energija ulazi) ali apsorbovana energija koja se ispušta iz tla ili drugih
objekata u stakleniku ostaje zarobljena i povećava unutrašnju temperaturu. Atmosfera služi i
kao prozor za primanje sunčevog zračenja i apsorber za zarobljavanje dijela ponovno
emitiranog infracrvenog zračenja, ovaj efekat zagrijavanja poznat je kao „efekt staklenika“.
Trenutno postoji sve veća zabrinutost da povećanje koncentracije stakleničkih gasova može
negativno uticati na klimu na Zemlji. Značajan dio ovog povećanja je rezultat ljudskih
aktivnosti, posebno sagorijevanja fosilnih goriva, kao što su ugalj, nafta i plin. Pošto su ova
fosilna goriva od suštinskog značaja za sadašnje svjetske ekonomije i trenutno zadovoljavaju
oko 80% svjetske potražnje za energijom, značajno smanjenje njihove upotrebe nije izvodljivo
ako se ne uspostave dobre zamjene izvora energije.
Zemljina površina i atmosfera zrače energiju, ali pošto je njihova temperatura mnogo niža od
sunčeve, njihove emisije su u infracrvenom području. U ravnoteži, postoji stacionarno stanje
u kojem je primljena snaga od Sunca jednaka onoj koja se emituje sa Zemlje u svemir. Zato se
mora emitovati 342 W/m
2
. Ako to nije slučaj, prosječna temperatura naše planete bi se
povećavala ili smanjivala dok se ne postigne ravnoteža. Kao posljedica toga, mora se emitovati
235 W/m
2
infracrvenog zračenja ka prostoru na vrhu atmosfere. Ovo se dodaje na 107 W/m
2
koje odgovara reflektovanom sunčevom zračenju. Zračenje od 235 W/m
2
se sastoji od frakcije
infracrvenog zračenja koje dolazi iz tla koje ne zaustavlja atmosfera i dio infracrvenog zračenja
koje emitira atmosfera u smjeru prostora. Ako bi se izgubilo 235 W/m
2
emitovano sa Zemljine
površine, srednja temperatura na površini bi bila - 18 °C.
Zemljina površina, koja je na temperaturi od 15 ° C, emitira 390 W/m
2
. Najveći dio, 90% (350
W/m
2
), apsorbuje atmosfera i to je efekat staklenika. Ostatak (40 W/m
2
) ide u prostor.
Atmosfera, zagrijavana zračenjem Zemljinog tla i direktnim sunčevim zračenjem (67 W/m
2
),
također emitira u infracrvenom području u zavisnosti od njegove temperature. Atmosfera
tako zrači 195 W/m
2
prema prostoru i 324 W/m
2
prema površini koja apsorbira tu energiju.
Slika 4.2. Efekat staklenika
UVOD U ENERGETIKU
33
Modeliranje efekta povećanja emisije stakleničkih plinova na klimu na Zemlji je veoma složen
problem. Problem nije samo u tome da se efekat staklenika povećava kada se neki gasovi
emituju u atmosferu, već da postoje mnogi mehanizmi povratne sprege koji mogu ili pojačati
efekat (pozitivne povratne informacije) ili smanjiti efekat (negativne povratne informacije). Na
primjer, oko 71% površine Zemlje je pokriveno oceanima. Isparavanje tekuće vode zahtijeva
mnogo energije (to odgovara latentnoj toplini isparavanja) i dovodi do hlađenja površine vode.
Kada se vodena para kondenzira, prenosi svoju latentnu toplinu kondenzacije u atmosferu.
Što je veća koncentracija stakleničkih plinova u atmosferi, to je važniji mehanizam razmjene
energije između Zemljine zemlje i atmosfere. Drugi primjer pozitivne povratne sprege je
topljenje snijega ili leda. Prvobitno reflektujuća površina je zamijenjena apsorbirajućom
površinom. Zbog toga se solarna energija apsorbuje više nego ranije, što dovodi do povećanog
zagrijavanja koje izaziva više topljenje leda i snijega i tako dalje. Problem je u tome što postoji
više pozitivnih povratnih informacija od negativnih i posljedice ovih pojava nisu dobro
savladane u modelnim kalkulacijama.
4.2. STAKLENIČKI GASOVI
Zanimljivo je da je vodena para najvažniji staklenički plin, koji čini 55% prirodnog efekta
staklenika. Ugljen-dioksid CO2 je drugi najvažniji staklenički plin (39%). Ostali gasovi staklenika
prisutni u malim količinama su metan CH4, azotni oksid N2O, ozon O3 i halokarbonati, slika 4.3.
Slika 4.3.Udjeli gasova efektu staklenika
Izgaranje ugljovodika oslobađa i CO2 i H2O. Međutim, količina vode koja se emituje izgaranjem
ugljikovodika predstavlja manje od 0,003% prirodno isparene vode. Dakle, iako je vodena para
važan staklenički plin, emisija iz ljudskih aktivnosti je zanemariva u odnosu na količinu isparene
vode iz vodnih tijela, tla ili vegetacije. Neke male količine vodene pare mogu se proizvesti u
stratosferi zbog hemijskog uništavanja CH4 ultraljubičastim (UV) zrakama. Avioni emituju i CO2
i vodenu paru na velikim visinama, što ima gori efekat nego ako se emituju na nivou mora. Kao
što se može vidjeti iz slike 4.4, veliki dio antropogenih emisija stakleničkih plinova proizlazi iz
proizvodnje energije. Emisija CO2 snažno je dominantna, a potiče od upotrebe fosilnih goriva
u transportu, proizvodnje električne energije, grijanja ili hlađenja itd. Atmosferski CO2 ima
veoma mali dio ugljika u globalnom ciklusu ugljika, ali igra važnu ulogu u efektu staklenika.
Koncentracija CO2 u atmosferi bila je jednaka 280 ppm (milionitih dijelova). Metan se
uglavnom proizvodi u anaerobnoj razgradnji organske materije koja izlazi iz bioloških sistema.
Poljoprivreda, močvare i organski otpad važni su izvori CH4. Nepotpuno sagorevanje fosilnih
goriva, curenje tokom procesa distribucije prirodnog gasa ili nafte, ili ispuštanje gasa tokom
eksploatacije također doprinosi povećanju koncentracije CH4 u atmosferi. Molekule metana
ostaju u atmosferi kraće od molekula CO2. Prvo reaguju sa hidroksilnim radikalima (OH) u
prvom koraku procesa, koji na kraju dovodi do proizvodnje CO2. Koncentracija CH4 u atmosferi
je polako varirala između 580 i 730 ppb (dijelova na milijardu) tokom 10.000 godina prije
predindustrijske ere.
33
Modeliranje efekta povećanja emisije stakleničkih plinova na klimu na Zemlji je veoma složen
problem. Problem nije samo u tome da se efekat staklenika povećava kada se neki gasovi
emituju u atmosferu, već da postoje mnogi mehanizmi povratne sprege koji mogu ili pojačati
efekat (pozitivne povratne informacije) ili smanjiti efekat (negativne povratne informacije). Na
primjer, oko 71% površine Zemlje je pokriveno oceanima. Isparavanje tekuće vode zahtijeva
mnogo energije (to odgovara latentnoj toplini isparavanja) i dovodi do hlađenja površine vode.
Kada se vodena para kondenzira, prenosi svoju latentnu toplinu kondenzacije u atmosferu.
Što je veća koncentracija stakleničkih plinova u atmosferi, to je važniji mehanizam razmjene
energije između Zemljine zemlje i atmosfere. Drugi primjer pozitivne povratne sprege je
topljenje snijega ili leda. Prvobitno reflektujuća površina je zamijenjena apsorbirajućom
površinom. Zbog toga se solarna energija apsorbuje više nego ranije, što dovodi do povećanog
zagrijavanja koje izaziva više topljenje leda i snijega i tako dalje. Problem je u tome što postoji
više pozitivnih povratnih informacija od negativnih i posljedice ovih pojava nisu dobro
savladane u modelnim kalkulacijama.
4.2. STAKLENIČKI GASOVI
Zanimljivo je da je vodena para najvažniji staklenički plin, koji čini 55% prirodnog efekta
staklenika. Ugljen-dioksid CO2 je drugi najvažniji staklenički plin (39%). Ostali gasovi staklenika
prisutni u malim količinama su metan CH4, azotni oksid N2O, ozon O3 i halokarbonati, slika 4.3.
Slika 4.3.Udjeli gasova efektu staklenika
Izgaranje ugljovodika oslobađa i CO2 i H2O. Međutim, količina vode koja se emituje izgaranjem
ugljikovodika predstavlja manje od 0,003% prirodno isparene vode. Dakle, iako je vodena para
važan staklenički plin, emisija iz ljudskih aktivnosti je zanemariva u odnosu na količinu isparene
vode iz vodnih tijela, tla ili vegetacije. Neke male količine vodene pare mogu se proizvesti u
stratosferi zbog hemijskog uništavanja CH4 ultraljubičastim (UV) zrakama. Avioni emituju i CO2
i vodenu paru na velikim visinama, što ima gori efekat nego ako se emituju na nivou mora. Kao
što se može vidjeti iz slike 4.4, veliki dio antropogenih emisija stakleničkih plinova proizlazi iz
proizvodnje energije. Emisija CO2 snažno je dominantna, a potiče od upotrebe fosilnih goriva
u transportu, proizvodnje električne energije, grijanja ili hlađenja itd. Atmosferski CO2 ima
veoma mali dio ugljika u globalnom ciklusu ugljika, ali igra važnu ulogu u efektu staklenika.
Koncentracija CO2 u atmosferi bila je jednaka 280 ppm (milionitih dijelova). Metan se
uglavnom proizvodi u anaerobnoj razgradnji organske materije koja izlazi iz bioloških sistema.
Poljoprivreda, močvare i organski otpad važni su izvori CH4. Nepotpuno sagorevanje fosilnih
goriva, curenje tokom procesa distribucije prirodnog gasa ili nafte, ili ispuštanje gasa tokom
eksploatacije također doprinosi povećanju koncentracije CH4 u atmosferi. Molekule metana
ostaju u atmosferi kraće od molekula CO2. Prvo reaguju sa hidroksilnim radikalima (OH) u
prvom koraku procesa, koji na kraju dovodi do proizvodnje CO2. Koncentracija CH4 u atmosferi
je polako varirala između 580 i 730 ppb (dijelova na milijardu) tokom 10.000 godina prije
predindustrijske ere.
UVOD U ENERGETIKU
34
Slika 4.4. Doprinosi različitih izvora antropogenim emisijama stakleničkih plinova
Poljoprivredne operacije, đubriva i stajnjak su glavni izvor N2O. Postoje i drugi izvori, kao što
su tretman otpadnih voda i sagorijevanje otpada ili biomase. Prije predindustrijske ere,
koncentracija N2O u atmosferi bila je jednaka 270 ppb. Ozon daje treći najveći doprinos efektu
staklenika, nakon CO2 i CH4. Ozon je prisutan i u troposferi i u gornjoj stratosferi. Troposfera
je donji dio atmosfere, u dodiru s površinom tla; temperatura se smanjuje sa visinom.
Stratosfera se nalazi na nadmorskoj visini od 13 do 50 km od tla, a temperatura se povećava
sa visinom. U stratosferi, ozonski omotač štiti Zemlju od opasnog UV zračenja. Zbog velike
emisije hlorofluorkarbonata (CFC) i drugih halokarbonata u atmosferu, ozonski sloj je
osiromašen. Montrealskim protokolom, koji je uspostavljen 1987. godine, došlo je do
progresivne zabrane upotrebe CFC-a, koji su se primarno koristili u rashladnim i
klimatizacijskim krugovima. Neki od proizvoda koji zamjenjuju CFC, iako ne štete ozonskom
sloju, su staklenički plinovi.
4.3. VRIJEME I KLIMA
Prognoza vremena je nauka predviđanja vremena. U novije vrijeme razvijeni su vrlo
sofisticirani kompjuterizirani teorijski modeli za vremensku prognozu u kratkom vremenskom
razdoblju (sati i dani). Sada je moguće napraviti razumno precizne vremenske prognoze za
period od dva ili tri dana. Vremenske prognoze za duže periode su teške jer je atmosfera
haotični sistem. To znači da mala perturbacija može imati efekat koji je i značajan i
nepredvidljiv (takozvani efekat rotacije). Postoji utisak da su vremenske prognoze obično
pogrešne. Ustvari, u poslednjih nekoliko godina, postignut je veliki napredak u ovom domenu
zbog znatno poboljšanih sposobnosti posmatranja (npr. satelita), moćnih računara i boljeg
razumijevanja osnovne fizike. Ovo se može ilustrovati u Francuskoj, gdje je vremensko
prognoziranje prilično teško zbog geografske lokacije i široke varijacije topografije na maloj
udaljenosti. U 2000. godini 98% jednodnevnih prognoza, 93% dvodnevne prognoze i 70%
trodnevne prognoze bile su točne. Tokom jednogodišnjeg perioda, 76% predviđanja
temperature i 89% prognoze padavina bilo je ispravno.
Iako često može biti krajnje teško predvidjeti točno vrijeme u periodu od nekoliko dana,
projekcije dugoročnih klimatskih trendova mogu se napraviti sa većom sigurnošću. Tokom
dužeg vremenskog perioda mogu se napraviti bolja predviđanja nekih statističkih parametara
za klimu nego za vrijeme. Moguće je razviti prediktivne modele koji se mogu testirati na
povijesnim podacima o klimi i predvidjeti, koristeći neke hipoteze, klimu budućnosti. To
prirodno povlači određenu nesigurnost, jer je kompletan fizički opis Zemljinog sistema
(atmosfera, okeani, zemlja itd.) veoma teško uključiti.
34
Slika 4.4. Doprinosi različitih izvora antropogenim emisijama stakleničkih plinova
Poljoprivredne operacije, đubriva i stajnjak su glavni izvor N2O. Postoje i drugi izvori, kao što
su tretman otpadnih voda i sagorijevanje otpada ili biomase. Prije predindustrijske ere,
koncentracija N2O u atmosferi bila je jednaka 270 ppb. Ozon daje treći najveći doprinos efektu
staklenika, nakon CO2 i CH4. Ozon je prisutan i u troposferi i u gornjoj stratosferi. Troposfera
je donji dio atmosfere, u dodiru s površinom tla; temperatura se smanjuje sa visinom.
Stratosfera se nalazi na nadmorskoj visini od 13 do 50 km od tla, a temperatura se povećava
sa visinom. U stratosferi, ozonski omotač štiti Zemlju od opasnog UV zračenja. Zbog velike
emisije hlorofluorkarbonata (CFC) i drugih halokarbonata u atmosferu, ozonski sloj je
osiromašen. Montrealskim protokolom, koji je uspostavljen 1987. godine, došlo je do
progresivne zabrane upotrebe CFC-a, koji su se primarno koristili u rashladnim i
klimatizacijskim krugovima. Neki od proizvoda koji zamjenjuju CFC, iako ne štete ozonskom
sloju, su staklenički plinovi.
4.3. VRIJEME I KLIMA
Prognoza vremena je nauka predviđanja vremena. U novije vrijeme razvijeni su vrlo
sofisticirani kompjuterizirani teorijski modeli za vremensku prognozu u kratkom vremenskom
razdoblju (sati i dani). Sada je moguće napraviti razumno precizne vremenske prognoze za
period od dva ili tri dana. Vremenske prognoze za duže periode su teške jer je atmosfera
haotični sistem. To znači da mala perturbacija može imati efekat koji je i značajan i
nepredvidljiv (takozvani efekat rotacije). Postoji utisak da su vremenske prognoze obično
pogrešne. Ustvari, u poslednjih nekoliko godina, postignut je veliki napredak u ovom domenu
zbog znatno poboljšanih sposobnosti posmatranja (npr. satelita), moćnih računara i boljeg
razumijevanja osnovne fizike. Ovo se može ilustrovati u Francuskoj, gdje je vremensko
prognoziranje prilično teško zbog geografske lokacije i široke varijacije topografije na maloj
udaljenosti. U 2000. godini 98% jednodnevnih prognoza, 93% dvodnevne prognoze i 70%
trodnevne prognoze bile su točne. Tokom jednogodišnjeg perioda, 76% predviđanja
temperature i 89% prognoze padavina bilo je ispravno.
Iako često može biti krajnje teško predvidjeti točno vrijeme u periodu od nekoliko dana,
projekcije dugoročnih klimatskih trendova mogu se napraviti sa većom sigurnošću. Tokom
dužeg vremenskog perioda mogu se napraviti bolja predviđanja nekih statističkih parametara
za klimu nego za vrijeme. Moguće je razviti prediktivne modele koji se mogu testirati na
povijesnim podacima o klimi i predvidjeti, koristeći neke hipoteze, klimu budućnosti. To
prirodno povlači određenu nesigurnost, jer je kompletan fizički opis Zemljinog sistema
(atmosfera, okeani, zemlja itd.) veoma teško uključiti.
UVOD U ENERGETIKU
35
Potrebna je jedna godina da Zemlja napravi svoju cijelu orbitu oko Suna i jedan dan da se
obrne oko svoje rotacione osi. Varijacije u orbitalnim parametrima Zemlje imaju uticaj na
klimu jer se zračenje sunca mijenja kako se Zemlja kreće po svojoj eliptičnoj orbiti.
Najpoznatije varijacije su sezonske promjene, koje se događaju na godišnjoj osnovi. Glavni
parametar koji reguliše godišnja doba je nagib Zemljine ose. Srpski naučnik M. Milanković je
povezao dugoročne promjene u klimi Zemlje sa orbitalnim promjenama naše planete. Osovina
rotacije Zemlje čini precesijsko kretanje sa periodom od oko 22.000 godina i varira u stepenu
nagiba od 21,5 ° do 24,5 ° sa periodom od oko 41.000 godina. Ekscentričnost ciklusa Zemljine
orbite varira u periodu od 100.000 godina. Takozvani Milankovićevi ciklusi povezuju varijacije
klime sa trima glavnim tipovima promjena u Zemljinoj orbiti. Početak i povlačenje velikog
ledenog doba proteklih miliona godina može se objasniti u ovom okviru. Iako se klima mijenja
kao funkcija vremena, problem s kojim se danas suočavamo je da će se promjena klime koja
može biti izazvana ljudskim aktivnostima dogoditi na tako kratkoj vremenskoj skali da neki živi
sistemi možda neće imati vremena da se prilagode.
4.4. ANTROPOGENSKE EMISIJE
Mjerenja su pokazala da se koncentracija stakleničkih plinova redovito povećavala od početka
industrijske ere zbog ljudskih aktivnosti. Kao što je već rečeno, emisije stakleničkih plinova
zbog ljudskih aktivnosti poznate su kao antropogene emisije. Oko dvije trećine antropogenih
emisija dolazi od izgaranja fosilnih goriva, a jedna trećina od promjene korištenja zemljišta.
Emisije ugljen-dioksida usljed sagorevanja fosilnih goriva sada je u prosjeku 7 GtC godišnje.
Oko polovine antropogenih emisija apsorbuju prirodni procesi (okeani i kopnena biosfera).
Preostali dio ostaje u atmosferi.
Slika 4.5.Prosječna evolucija atmosferske koncentracije CO2 između 1800. i 2000.
Zračenje koje se često koristi kod klimatologa je promjena u izlaznoj snazi po jedinici površine
Zemlje, koja je rezultat aktivnosti kao što su vulkanska erupcija ili antropogena emisija
stakleničkih plinova. Ove promjene se nazivaju „prisiljavanje“ da bi se razlikovale od promjena
uzrokovanih unutrašnjim parametrima sistema. Mjerenja na vrhu atmosfere, obično se
procjenjuje u vatima po kvadratnom metru. Ako je pozitivno, Zemlja se zagrijava, a ako je
negativna Zemlja se hladi. Zračenje 1 W/m
2
znači da se efekt staklene bašte povećava za 1
W/m
2
. Klima se može mijenjati pod utjecajem zračenja. Povećanje koncentracije CO2 od 1750.
godine izazvalo je radijacionu silu od 1,7 W/m
2
. U deceniji između 1995. i 2005., radijaciona
sila porasla je za 20%.
35
Potrebna je jedna godina da Zemlja napravi svoju cijelu orbitu oko Suna i jedan dan da se
obrne oko svoje rotacione osi. Varijacije u orbitalnim parametrima Zemlje imaju uticaj na
klimu jer se zračenje sunca mijenja kako se Zemlja kreće po svojoj eliptičnoj orbiti.
Najpoznatije varijacije su sezonske promjene, koje se događaju na godišnjoj osnovi. Glavni
parametar koji reguliše godišnja doba je nagib Zemljine ose. Srpski naučnik M. Milanković je
povezao dugoročne promjene u klimi Zemlje sa orbitalnim promjenama naše planete. Osovina
rotacije Zemlje čini precesijsko kretanje sa periodom od oko 22.000 godina i varira u stepenu
nagiba od 21,5 ° do 24,5 ° sa periodom od oko 41.000 godina. Ekscentričnost ciklusa Zemljine
orbite varira u periodu od 100.000 godina. Takozvani Milankovićevi ciklusi povezuju varijacije
klime sa trima glavnim tipovima promjena u Zemljinoj orbiti. Početak i povlačenje velikog
ledenog doba proteklih miliona godina može se objasniti u ovom okviru. Iako se klima mijenja
kao funkcija vremena, problem s kojim se danas suočavamo je da će se promjena klime koja
može biti izazvana ljudskim aktivnostima dogoditi na tako kratkoj vremenskoj skali da neki živi
sistemi možda neće imati vremena da se prilagode.
4.4. ANTROPOGENSKE EMISIJE
Mjerenja su pokazala da se koncentracija stakleničkih plinova redovito povećavala od početka
industrijske ere zbog ljudskih aktivnosti. Kao što je već rečeno, emisije stakleničkih plinova
zbog ljudskih aktivnosti poznate su kao antropogene emisije. Oko dvije trećine antropogenih
emisija dolazi od izgaranja fosilnih goriva, a jedna trećina od promjene korištenja zemljišta.
Emisije ugljen-dioksida usljed sagorevanja fosilnih goriva sada je u prosjeku 7 GtC godišnje.
Oko polovine antropogenih emisija apsorbuju prirodni procesi (okeani i kopnena biosfera).
Preostali dio ostaje u atmosferi.
Slika 4.5.Prosječna evolucija atmosferske koncentracije CO2 između 1800. i 2000.
Zračenje koje se često koristi kod klimatologa je promjena u izlaznoj snazi po jedinici površine
Zemlje, koja je rezultat aktivnosti kao što su vulkanska erupcija ili antropogena emisija
stakleničkih plinova. Ove promjene se nazivaju „prisiljavanje“ da bi se razlikovale od promjena
uzrokovanih unutrašnjim parametrima sistema. Mjerenja na vrhu atmosfere, obično se
procjenjuje u vatima po kvadratnom metru. Ako je pozitivno, Zemlja se zagrijava, a ako je
negativna Zemlja se hladi. Zračenje 1 W/m
2
znači da se efekt staklene bašte povećava za 1
W/m
2
. Klima se može mijenjati pod utjecajem zračenja. Povećanje koncentracije CO2 od 1750.
godine izazvalo je radijacionu silu od 1,7 W/m
2
. U deceniji između 1995. i 2005., radijaciona
sila porasla je za 20%.
UVOD U ENERGETIKU
36
4.5. VODA I AEROSOLI
Emisija vodene pare ljudskim aktivnostima ima zanemarljiv doprinos zračenju. Procjene daju
vrlo mali pozitivni radijacijski učinak (0,07 W/m
2
). Međutim, vodena para ima uticaj na
prosječnu temperaturu jer ima pozitivnu povratnu informaciju o efektu staklenika. Količina
vodene pare koja se emituje pri sagorijevanju fosilnih goriva ili u nuklearnim elektranama je
daleko manja od količine vodene pare koja se emituje u poljoprivrednim aktivnostima. Još
uvijek postoje nesigurnosti u pogledu doprinosa vodene pare emitirane u stratosferi, posebno
oksidacijomCH4.
Atmosfera sadrži fine suspendirane čestice koje čine aerosole. Ove čestice također mogu
doprinijeti efektu staklenika. Oblaci, sastavljeni od kapljica vode ili leda, jedan su od primjera
aerosola. Dim i prašina koje emituju vozila, kao i ostaci šume ili savane su drugi. Vulkani su
takođe važan izvor aerosola koji se emituju sporadično. Ponekad njihova prašina dopire do
stratosfere i ostaje tamo tokom dvije ili tri godine, kao što je to bio slučaj u vreme erupcije
vulkana Pinatubo u Indoneziji. Aerosoli mogu putovati na veoma velike udaljenosti. Tokom
sušnih perioda kada kiša ne uklanja aerosole iz atmosfere, u sjevernoj polovini Indijskog
okeana zimi se mogu vidjeti gigantski oblaci prašine i dima.
Aerosoli imaju negativno zračenje jer sprečavaju da dio sunčeve energije dosegne površinu
Zemlje. Transport, krčenje šuma, izgradnja i intenzivna poljoprivreda su ljudske aktivnosti koje
stvaraju prašinu. Industrija je takođe važan izvor aerosola. Čak i u neindustrijskim zemljama
koje troše malo energije, aerosoli se proizvode sagorijevanjem drveta. Neki aerosoli daju
pozitivno zračenje, ali većina njih daje negativan doprinos. Ukupno dobijamo oko - 0,5 W/m
2
.
4.6. POTENCIJAL ZA GLOBALNO ZAGRIJAVANJE
Da bi se uporedio uticaj zračenja koji uzrokuju različiti gasovi na efekat staklenika uveden je
potencijal globalnog zagrijavanja (GWP). GWP se definira kao kumulativni radijacijski prinos
od emisije jedinične mase plina u odnosu na referentni plin, koji je odabran kao CO2. Ovo se
procjenjuje za određeni vremenski period (npr. 100 godina). Naravno, takva poređenja su
približna, ali su korisna za dobijanje procjena reda veličine. Potencijali globalnog zagrijavanja
za neke gasove prikazani su u tabeli 4.1, kao i životni vjek u atmosferi. To odgovara srednjem
vremenu u kojem molekula ostaje u atmosferi. Vijek trajanja zavisi od hemijske reaktivnosti
plina. Što je slabiji, to duže ostaje u atmosferi. Ove procjene ukazuju da nakon 100 godina
oslobađanje 1 litre CH4 u atmosferi ima isti učinak na prisiljavanje na zračenje kao oslobađanje
23 litre CO2. Promatranje evolucije GWP-a kao funkcije vremena pokazuje da se smanjuje za
CH4 dok se povećava za SF6, a razlog je srednje trajanje gasa u atmosferi. Ako je životni vijek
kraći nego za CO2, GWP će se smanjiti, a ako je životni vijek duži od CO2, GWP će se povećati.
Tabela 4.1. Srednji životni vijek u atmosferi i GWP za različite vremenske horizonte i različite gasove
36
4.5. VODA I AEROSOLI
Emisija vodene pare ljudskim aktivnostima ima zanemarljiv doprinos zračenju. Procjene daju
vrlo mali pozitivni radijacijski učinak (0,07 W/m
2
). Međutim, vodena para ima uticaj na
prosječnu temperaturu jer ima pozitivnu povratnu informaciju o efektu staklenika. Količina
vodene pare koja se emituje pri sagorijevanju fosilnih goriva ili u nuklearnim elektranama je
daleko manja od količine vodene pare koja se emituje u poljoprivrednim aktivnostima. Još
uvijek postoje nesigurnosti u pogledu doprinosa vodene pare emitirane u stratosferi, posebno
oksidacijomCH4.
Atmosfera sadrži fine suspendirane čestice koje čine aerosole. Ove čestice također mogu
doprinijeti efektu staklenika. Oblaci, sastavljeni od kapljica vode ili leda, jedan su od primjera
aerosola. Dim i prašina koje emituju vozila, kao i ostaci šume ili savane su drugi. Vulkani su
takođe važan izvor aerosola koji se emituju sporadično. Ponekad njihova prašina dopire do
stratosfere i ostaje tamo tokom dvije ili tri godine, kao što je to bio slučaj u vreme erupcije
vulkana Pinatubo u Indoneziji. Aerosoli mogu putovati na veoma velike udaljenosti. Tokom
sušnih perioda kada kiša ne uklanja aerosole iz atmosfere, u sjevernoj polovini Indijskog
okeana zimi se mogu vidjeti gigantski oblaci prašine i dima.
Aerosoli imaju negativno zračenje jer sprečavaju da dio sunčeve energije dosegne površinu
Zemlje. Transport, krčenje šuma, izgradnja i intenzivna poljoprivreda su ljudske aktivnosti koje
stvaraju prašinu. Industrija je takođe važan izvor aerosola. Čak i u neindustrijskim zemljama
koje troše malo energije, aerosoli se proizvode sagorijevanjem drveta. Neki aerosoli daju
pozitivno zračenje, ali većina njih daje negativan doprinos. Ukupno dobijamo oko - 0,5 W/m
2
.
4.6. POTENCIJAL ZA GLOBALNO ZAGRIJAVANJE
Da bi se uporedio uticaj zračenja koji uzrokuju različiti gasovi na efekat staklenika uveden je
potencijal globalnog zagrijavanja (GWP). GWP se definira kao kumulativni radijacijski prinos
od emisije jedinične mase plina u odnosu na referentni plin, koji je odabran kao CO2. Ovo se
procjenjuje za određeni vremenski period (npr. 100 godina). Naravno, takva poređenja su
približna, ali su korisna za dobijanje procjena reda veličine. Potencijali globalnog zagrijavanja
za neke gasove prikazani su u tabeli 4.1, kao i životni vjek u atmosferi. To odgovara srednjem
vremenu u kojem molekula ostaje u atmosferi. Vijek trajanja zavisi od hemijske reaktivnosti
plina. Što je slabiji, to duže ostaje u atmosferi. Ove procjene ukazuju da nakon 100 godina
oslobađanje 1 litre CH4 u atmosferi ima isti učinak na prisiljavanje na zračenje kao oslobađanje
23 litre CO2. Promatranje evolucije GWP-a kao funkcije vremena pokazuje da se smanjuje za
CH4 dok se povećava za SF6, a razlog je srednje trajanje gasa u atmosferi. Ako je životni vijek
kraći nego za CO2, GWP će se smanjiti, a ako je životni vijek duži od CO2, GWP će se povećati.
Tabela 4.1. Srednji životni vijek u atmosferi i GWP za različite vremenske horizonte i različite gasove
UVOD U ENERGETIKU
37
4.7. POVEĆANJE PROSJEČNE TEMPERATURE
Kao što se može vidjeti sa slike 4.6. došlo je do dobro dokumentiranog povećanja prosječne
globalne temperature od početka industrijske ere. Nadalje, sadašnja stopa promjene je daleko
iznad prosjeka u posljednjih 1.000 godina, slika 4.7. Ova vrijednost je samo prosjek, a
povećanje srednje temperature može varirati od mjesta do mjesta. Veća je na višim
geografskim širinama. Na primjer, na Aljasci ili na sjeveru Sibira, porast srednje temperature
je između 2 i 4 °C. Porast prosječne temperature u sjevernim regijama ima važne implikacije.
Područje od oko 1×10
6
km
2
permafrosta, jednako području Francuske i Njemačke zajedno,
trenutno se odmrzava. Stalno povećanje prosječne globalne temperature imat će velike
implikacije za globalnu klimu i može dramatično promijeniti lokalne okoline.
Slika 4.6. Evolucija ΔT u proteklih 140 godina
Slika 4.7. Evolucija ΔT u proteklih 1.000 godina na sjevernoj hemisferi
Predviđanje uticaja ljudskih aktivnosti na evoluciju klime je vrlo važno. Ovo se može uraditi
samo sa dobro konstruisanim modelima, koji uključuju sve naučne informacije i koriste
prednosti sofisticiranih računskih metoda. Razvijeno je nekoliko modela, koji se razlikuju u
svojim kvantitativnim predviđanjima, ali svi predviđaju antropogenu emisiju stakleničkih
plinova koja će dovesti do dodatnog povećanja prosječne temperature u ovom stoljeću.
Pri tumačenju ovih rezultata treba shvatiti da složenost problema zahtijeva aproksimacije. Čak
i ako su ovi modeli veoma uspješni u reprodukciji prošlih klimatskih trendova, ostaju stvarne
neizvjesnosti u primjeni u predviđanju budućih klimatskih promjena. Dalje, rezultati zavise od
pretpostavljenog intenziteta emisije stakleničkih plinova. Ako nastavimo „kao i obično“,
prosečna temperatura predviđena za kraj vijeka je visoka. Smanjena stopa potrošnje fosilnih
goriva može smanjiti povećanje temperature. Imajući ovo u vidu, napominjemo da rezultati
modelskih izračuna ukazuju na porast temperature između 1,8 i 4,0 °C do 2.100. godine. Viša
vrijednost pretpostavlja da nema katastrofalnog pojačavajućeg fenomena efekta staklenika.
Ne znamo da li postoji tačka u kojoj bi nepredviđeni pozitivni efekti mogli da pojačaju efekat
zagrijavanja.
37
4.7. POVEĆANJE PROSJEČNE TEMPERATURE
Kao što se može vidjeti sa slike 4.6. došlo je do dobro dokumentiranog povećanja prosječne
globalne temperature od početka industrijske ere. Nadalje, sadašnja stopa promjene je daleko
iznad prosjeka u posljednjih 1.000 godina, slika 4.7. Ova vrijednost je samo prosjek, a
povećanje srednje temperature može varirati od mjesta do mjesta. Veća je na višim
geografskim širinama. Na primjer, na Aljasci ili na sjeveru Sibira, porast srednje temperature
je između 2 i 4 °C. Porast prosječne temperature u sjevernim regijama ima važne implikacije.
Područje od oko 1×10
6
km
2
permafrosta, jednako području Francuske i Njemačke zajedno,
trenutno se odmrzava. Stalno povećanje prosječne globalne temperature imat će velike
implikacije za globalnu klimu i može dramatično promijeniti lokalne okoline.
Slika 4.6. Evolucija ΔT u proteklih 140 godina
Slika 4.7. Evolucija ΔT u proteklih 1.000 godina na sjevernoj hemisferi
Predviđanje uticaja ljudskih aktivnosti na evoluciju klime je vrlo važno. Ovo se može uraditi
samo sa dobro konstruisanim modelima, koji uključuju sve naučne informacije i koriste
prednosti sofisticiranih računskih metoda. Razvijeno je nekoliko modela, koji se razlikuju u
svojim kvantitativnim predviđanjima, ali svi predviđaju antropogenu emisiju stakleničkih
plinova koja će dovesti do dodatnog povećanja prosječne temperature u ovom stoljeću.
Pri tumačenju ovih rezultata treba shvatiti da složenost problema zahtijeva aproksimacije. Čak
i ako su ovi modeli veoma uspješni u reprodukciji prošlih klimatskih trendova, ostaju stvarne
neizvjesnosti u primjeni u predviđanju budućih klimatskih promjena. Dalje, rezultati zavise od
pretpostavljenog intenziteta emisije stakleničkih plinova. Ako nastavimo „kao i obično“,
prosečna temperatura predviđena za kraj vijeka je visoka. Smanjena stopa potrošnje fosilnih
goriva može smanjiti povećanje temperature. Imajući ovo u vidu, napominjemo da rezultati
modelskih izračuna ukazuju na porast temperature između 1,8 i 4,0 °C do 2.100. godine. Viša
vrijednost pretpostavlja da nema katastrofalnog pojačavajućeg fenomena efekta staklenika.
Ne znamo da li postoji tačka u kojoj bi nepredviđeni pozitivni efekti mogli da pojačaju efekat
zagrijavanja.
UVOD U ENERGETIKU
38
4.8. EMISIJE ENERGIJE I STAKLENIČKIH GASOVA
Energetski sektor je odgovoran za preko 80% antropogenih emisija stakleničkih plinova. Od
toga, 95% je CO2. Procjenjuje se da će koncentracija CO2 u atmosferi dostići 540 - 970 ppm,
ovisno o pretpostavljenoj evoluciji potrošnje fosilnih goriva u svijetu. Ovo je daleko iznad 280
ppm u predindustrijskoj eri i odražava brzo povećanje emisije CO2 u posljednjih 150 godina
Ove emisije CO2 su se povećale sa skoro nula u 1750. godine na 26,6 Gt CO2 (7,25 GtC) u 2004.
Osim toga, emisije CO2 uslijed izgaranja fosilnih goriva su se gotovo udvostručile u posljednjih
30 godina. Posljednjih godina, izgaranje ugljena u zemljama u razvoju snažno je doprinijelo
porastu emisije CO2. Ukupna emisija CO2 je ovako drastično porasla iz dva razloga: porasla je
prosječna emisija CO2 po glavi stanovnika, ali i zato što je svjetska populacija porasla, sa oko
3 milijarde stanovnika u 1960. godini na skoro 6,7 milijardi do kraja 2007. godine.
Slika 4.8. Svjetske emisije CO2 između 1750. i 2004. godine za fosilna goriva
International Atomic Energy Agency (IAEA) izradila je procjenu za različite tehnologije
proizvodnje energije, a neke od njih prikazane su na slici 4.9. Vidi se da obnovljiva i nuklearna
energija samo indirektno doprinose emisiji CO2. Fosilna goriva imaju i direktne i indirektne
doprinose. Energija vjetra i fotonaponske ćelije imaju veće emisije od hidroenergije. Sa
sadašnjom tehnologijom, proizvodnja fotonaponskih ćelija zahteva mnogo energije. Turbine
na vjetar zahtevaju mnogo betona za temelje (360 t/GW), što je iznenađujuće mnogo za istu
izlaznu snagu od one potrebne za izgradnju nuklearne elektrane.
Slika 4.9. Veličina direktne i indirektne emisije CO2
za različite tehnologije proizvodnje električne energije
38
4.8. EMISIJE ENERGIJE I STAKLENIČKIH GASOVA
Energetski sektor je odgovoran za preko 80% antropogenih emisija stakleničkih plinova. Od
toga, 95% je CO2. Procjenjuje se da će koncentracija CO2 u atmosferi dostići 540 - 970 ppm,
ovisno o pretpostavljenoj evoluciji potrošnje fosilnih goriva u svijetu. Ovo je daleko iznad 280
ppm u predindustrijskoj eri i odražava brzo povećanje emisije CO2 u posljednjih 150 godina
Ove emisije CO2 su se povećale sa skoro nula u 1750. godine na 26,6 Gt CO2 (7,25 GtC) u 2004.
Osim toga, emisije CO2 uslijed izgaranja fosilnih goriva su se gotovo udvostručile u posljednjih
30 godina. Posljednjih godina, izgaranje ugljena u zemljama u razvoju snažno je doprinijelo
porastu emisije CO2. Ukupna emisija CO2 je ovako drastično porasla iz dva razloga: porasla je
prosječna emisija CO2 po glavi stanovnika, ali i zato što je svjetska populacija porasla, sa oko
3 milijarde stanovnika u 1960. godini na skoro 6,7 milijardi do kraja 2007. godine.
Slika 4.8. Svjetske emisije CO2 između 1750. i 2004. godine za fosilna goriva
International Atomic Energy Agency (IAEA) izradila je procjenu za različite tehnologije
proizvodnje energije, a neke od njih prikazane su na slici 4.9. Vidi se da obnovljiva i nuklearna
energija samo indirektno doprinose emisiji CO2. Fosilna goriva imaju i direktne i indirektne
doprinose. Energija vjetra i fotonaponske ćelije imaju veće emisije od hidroenergije. Sa
sadašnjom tehnologijom, proizvodnja fotonaponskih ćelija zahteva mnogo energije. Turbine
na vjetar zahtevaju mnogo betona za temelje (360 t/GW), što je iznenađujuće mnogo za istu
izlaznu snagu od one potrebne za izgradnju nuklearne elektrane.
Slika 4.9. Veličina direktne i indirektne emisije CO2
za različite tehnologije proizvodnje električne energije
UVOD U ENERGETIKU
39
4.9. POSLJEDICE
Da smo u periodu globalnog zagrijavanja je neosporno. Dokazi upućuju na to da je ovaj trend
zagrijavanja vrlo vjerovatno posljedica porasta koncentracija stakleničkih plinova koji izazivaju
pozitivno zračenje.
Slika 4.10. Svjetske emisije CO2 po sektorima
Od pedesetih godina prošlog vijeka primjećuje se i smanjenje broja vrlo hladnih dana i noći,
dok se broj veoma vrućih dana i toplih noći povećava. Dodatni signali globalnog upozorenja
mogu se naći u porastu nivoa mora, topljenju ledenjaka, povlačenju leda u Arktiku i smanjenju
snježnog pokrivača na sjevernoj hemisferi. Ovaj trend globalnog zagrijavanja dovodi do
povećanog isparavanja oceana, kao i biomase, što dovodi do povećanja koncentracije vodene
pare u atmosferi. Procjenjuje se porast od oko 5% u atmosferi iznad oceana. To prouzrokuje
više i teže padavine na određenim lokalitetima. Na primjer, vlažnija područja su uočena u
sjevernom dijelu Europe, dok se suše vide u sjevernom dijelu Afrike. Istočni regioni Sjeverne i
Južne Amerike postali su vlažniji. Dugoročno, češće se mogu dogoditi periodi od nekoliko
godina suše ili obilnih kiša. Već postoje neke naznake da je u jugozapadnom dijelu SAD gdje je
nakon mokre zime 2004/05. uslijedila šestogodišnja suša. Također je došlo do povećanja
intenziteta i trajanja tropskih oluja i uragana. Veći broj jačih oluja je također primjećen i izvan
tropskih regiona. Međutim, još uvijek treba biti oprezan jer još uvijek ne postoji dokaz da su
sve ove činjenice direktno povezane s globalnim zagrijavanjem. Zapažanja već pokazuju pad
snijega na globalnoj razini. Snježni pokrivač je smanjen za oko 8% u odnosu na šezdesete.
Alpski ledenjaci su sve tanji i dugoročno bi mogli nestati ako bi porast globalne temperature
dostigao 5 °C. Otapanje glečera, ledenog pokrova u periodu od 1993-2003. godine rezultiralo
je porastom od oko 1,2 cm nivoa mora. Procjene ukazuju da je otapanje leda dovelo do porasta
razine mora za oko 17 cm tokom dvadesetog stoljeća. To je više nego što je bilo u prethodnih
2000 godina. Ovisno o modelu proračuna, predviđa se da će se nivo mora povećati za još 22 -
44 cm do kraja stoljeća.
Okeani igraju ključnu ulogu u upravljanju klimom na Zemlji jer preraspodjeljuju toplinu širom
svijeta. Okean je veliki termalni rezervoar koji može da razmenjuje energiju sa atmosferom,
ali je van nje. Prosječna dubina okeana je jednaka 3.800 m, a toplotni kapacitet okeana je
izuzetno visok u poređenju sa atmosferskim. Toplinski kapacitet atmosfere je ekvivalentan
samo dijelu okeana koji odgovara dubini od 3,2 m. Interakcije između okeana i atmosfere
odvijaju se na površini. Aktivni sloj okeana koji je uključen u razmjenu energije ovisi o regiji i o
sezoni. Može biti manje od 50 m u proljeće ili početkom ljeta i preko 100 m u jesen ili zimi
39
4.9. POSLJEDICE
Da smo u periodu globalnog zagrijavanja je neosporno. Dokazi upućuju na to da je ovaj trend
zagrijavanja vrlo vjerovatno posljedica porasta koncentracija stakleničkih plinova koji izazivaju
pozitivno zračenje.
Slika 4.10. Svjetske emisije CO2 po sektorima
Od pedesetih godina prošlog vijeka primjećuje se i smanjenje broja vrlo hladnih dana i noći,
dok se broj veoma vrućih dana i toplih noći povećava. Dodatni signali globalnog upozorenja
mogu se naći u porastu nivoa mora, topljenju ledenjaka, povlačenju leda u Arktiku i smanjenju
snježnog pokrivača na sjevernoj hemisferi. Ovaj trend globalnog zagrijavanja dovodi do
povećanog isparavanja oceana, kao i biomase, što dovodi do povećanja koncentracije vodene
pare u atmosferi. Procjenjuje se porast od oko 5% u atmosferi iznad oceana. To prouzrokuje
više i teže padavine na određenim lokalitetima. Na primjer, vlažnija područja su uočena u
sjevernom dijelu Europe, dok se suše vide u sjevernom dijelu Afrike. Istočni regioni Sjeverne i
Južne Amerike postali su vlažniji. Dugoročno, češće se mogu dogoditi periodi od nekoliko
godina suše ili obilnih kiša. Već postoje neke naznake da je u jugozapadnom dijelu SAD gdje je
nakon mokre zime 2004/05. uslijedila šestogodišnja suša. Također je došlo do povećanja
intenziteta i trajanja tropskih oluja i uragana. Veći broj jačih oluja je također primjećen i izvan
tropskih regiona. Međutim, još uvijek treba biti oprezan jer još uvijek ne postoji dokaz da su
sve ove činjenice direktno povezane s globalnim zagrijavanjem. Zapažanja već pokazuju pad
snijega na globalnoj razini. Snježni pokrivač je smanjen za oko 8% u odnosu na šezdesete.
Alpski ledenjaci su sve tanji i dugoročno bi mogli nestati ako bi porast globalne temperature
dostigao 5 °C. Otapanje glečera, ledenog pokrova u periodu od 1993-2003. godine rezultiralo
je porastom od oko 1,2 cm nivoa mora. Procjene ukazuju da je otapanje leda dovelo do porasta
razine mora za oko 17 cm tokom dvadesetog stoljeća. To je više nego što je bilo u prethodnih
2000 godina. Ovisno o modelu proračuna, predviđa se da će se nivo mora povećati za još 22 -
44 cm do kraja stoljeća.
Okeani igraju ključnu ulogu u upravljanju klimom na Zemlji jer preraspodjeljuju toplinu širom
svijeta. Okean je veliki termalni rezervoar koji može da razmenjuje energiju sa atmosferom,
ali je van nje. Prosječna dubina okeana je jednaka 3.800 m, a toplotni kapacitet okeana je
izuzetno visok u poređenju sa atmosferskim. Toplinski kapacitet atmosfere je ekvivalentan
samo dijelu okeana koji odgovara dubini od 3,2 m. Interakcije između okeana i atmosfere
odvijaju se na površini. Aktivni sloj okeana koji je uključen u razmjenu energije ovisi o regiji i o
sezoni. Može biti manje od 50 m u proljeće ili početkom ljeta i preko 100 m u jesen ili zimi
UVOD U ENERGETIKU
40
Globalno zagrijavanje može, također, imati značajan uticaj na druge fenomene okeana. El Niño
je fenomen okeana i atmosfere koji potiče iz Pacifičkog okeana, koji dovodi do velikih
klimatskih promjena u Pacifičkom bazenu svake 3 - 8 godina. Obično traje oko 18 mjeseci. Ime
El Nino dolazi od činjenice da se razvija u božićno vrijeme. Prvi znak pojave fenomena je
značajno povećanje vjetra prema zapadu. Ovaj vjetar pokreće akumulaciju tople vode u
zapadnom Pacifiku i nivo vode se povećava. Ali, čim se snaga vjetra smanji, topla voda
Zapadnog Pacifika prelazi u istočni Pacifik kao velika topla morska struja područja oko 1,5 puta
u odnosu na područje Sjedinjenih Država. Ova topla voda dovodi do neuobičajenih vremenskih
uslova, u rasponu od obilnih kiša do suše, ovisno o lokaciji. Malo se može reći o uticaju
globalnog zagrijavanja na fenomen kao što je El Nino. Jedino što znamo je da se od 1970-ih
ovaj fenomen javlja češće, duže i intenzivnije. Da li su ove promjene uzrokovane globalnim
zagrijavanjem još uvijek nije shvaćeno.
4.10. KYOTO PROTOCOL
Prva inicijativa za smanjenje antropogenih emisija stakleničkih plinova predložena je još 1992.
godine na Konferenciji Ujedinjenih nacija o životnoj sredini i razvoju u Rio de Janeiru. Ideja je
bila da se održi antropogena koncentracija stakleničkih plinova na nivou koji ne bi izazvao
opasnu modifikaciju klime. Postignut je sporazum, Okvirna konvencija Ujedinjenih nacija o
klimatskim promjenama (UNFCCC), koji će kasnije dovesti do Kyoto protokola u decembru
1997. godine. Kyoto protokol je međunarodni ugovor koji uključuje 174 zemlje i vladine
subjekte koji pripadaju dvjema kategorijama: Aneks I, strane koji su prihvatili obaveze za
smanjenje emisije stakleničkih plinova i strane koje nisu u Aneksu I, a koje nisu prihvatile
obaveze smanjenja, ali mogu učestvovati u mehanizmu čistog razvoja.
Cilj Kyoto protokola je postizanje „stabilizacije koncentracija stakleničkih plinova u atmosferi
na nivou koji će spriječiti opasna antropogena ometanja klimatskog sistema“. To je zahtijevalo
da do 2012. godine industrijski razvijene zemlje smanje emisije stakleničkih plinova u prosjeku
za 5,2% u odnosu na nivoe iz 1990. godine. Stvarni ciljevi se razlikuju od zemlje do zemlje. Na
primjer, Europska unija bi trebala smanjiti emisije za 8%, Kanada i Japan za 6%, Rusija bi trebala
ostati konstantna (0%), dok Australija i Island mogu povećati svoje emisije za 8 odnosno 10%.
Sjedinjene Države bi trebale smanjiti emisije za 7%. Kina, Indija i druge zemlje u razvoju nisu
strane u Aneksu I i nemaju obavezu da smanje svoje emisije. Većina učesnika je zvanično
ratifikovala protokol. Međutim, nekolicina, uključujući i Sjedinjene Države, nije. Sporazum je
stupio na snagu februara 2005. godine, nakon što ga je ratifikovalo najmanje 55 zemalja, što
čini najmanje 55% globalnih emisija stakleničkih plinova. Smanjenje od 5,2% može se činiti
malim. Bez ovih ograničenja, međutim, predviđena normalna stopa povećanja emisije
stakleničkih plinova dovela bi do 30% više emisija u 2012. u odnosu na nivo iz 1990. godine.
40
Globalno zagrijavanje može, također, imati značajan uticaj na druge fenomene okeana. El Niño
je fenomen okeana i atmosfere koji potiče iz Pacifičkog okeana, koji dovodi do velikih
klimatskih promjena u Pacifičkom bazenu svake 3 - 8 godina. Obično traje oko 18 mjeseci. Ime
El Nino dolazi od činjenice da se razvija u božićno vrijeme. Prvi znak pojave fenomena je
značajno povećanje vjetra prema zapadu. Ovaj vjetar pokreće akumulaciju tople vode u
zapadnom Pacifiku i nivo vode se povećava. Ali, čim se snaga vjetra smanji, topla voda
Zapadnog Pacifika prelazi u istočni Pacifik kao velika topla morska struja područja oko 1,5 puta
u odnosu na područje Sjedinjenih Država. Ova topla voda dovodi do neuobičajenih vremenskih
uslova, u rasponu od obilnih kiša do suše, ovisno o lokaciji. Malo se može reći o uticaju
globalnog zagrijavanja na fenomen kao što je El Nino. Jedino što znamo je da se od 1970-ih
ovaj fenomen javlja češće, duže i intenzivnije. Da li su ove promjene uzrokovane globalnim
zagrijavanjem još uvijek nije shvaćeno.
4.10. KYOTO PROTOCOL
Prva inicijativa za smanjenje antropogenih emisija stakleničkih plinova predložena je još 1992.
godine na Konferenciji Ujedinjenih nacija o životnoj sredini i razvoju u Rio de Janeiru. Ideja je
bila da se održi antropogena koncentracija stakleničkih plinova na nivou koji ne bi izazvao
opasnu modifikaciju klime. Postignut je sporazum, Okvirna konvencija Ujedinjenih nacija o
klimatskim promjenama (UNFCCC), koji će kasnije dovesti do Kyoto protokola u decembru
1997. godine. Kyoto protokol je međunarodni ugovor koji uključuje 174 zemlje i vladine
subjekte koji pripadaju dvjema kategorijama: Aneks I, strane koji su prihvatili obaveze za
smanjenje emisije stakleničkih plinova i strane koje nisu u Aneksu I, a koje nisu prihvatile
obaveze smanjenja, ali mogu učestvovati u mehanizmu čistog razvoja.
Cilj Kyoto protokola je postizanje „stabilizacije koncentracija stakleničkih plinova u atmosferi
na nivou koji će spriječiti opasna antropogena ometanja klimatskog sistema“. To je zahtijevalo
da do 2012. godine industrijski razvijene zemlje smanje emisije stakleničkih plinova u prosjeku
za 5,2% u odnosu na nivoe iz 1990. godine. Stvarni ciljevi se razlikuju od zemlje do zemlje. Na
primjer, Europska unija bi trebala smanjiti emisije za 8%, Kanada i Japan za 6%, Rusija bi trebala
ostati konstantna (0%), dok Australija i Island mogu povećati svoje emisije za 8 odnosno 10%.
Sjedinjene Države bi trebale smanjiti emisije za 7%. Kina, Indija i druge zemlje u razvoju nisu
strane u Aneksu I i nemaju obavezu da smanje svoje emisije. Većina učesnika je zvanično
ratifikovala protokol. Međutim, nekolicina, uključujući i Sjedinjene Države, nije. Sporazum je
stupio na snagu februara 2005. godine, nakon što ga je ratifikovalo najmanje 55 zemalja, što
čini najmanje 55% globalnih emisija stakleničkih plinova. Smanjenje od 5,2% može se činiti
malim. Bez ovih ograničenja, međutim, predviđena normalna stopa povećanja emisije
stakleničkih plinova dovela bi do 30% više emisija u 2012. u odnosu na nivo iz 1990. godine.
UVOD U ENERGETIKU
41
Ljudi su dugo vremena koristili tekuću vodu kao izvor energije. U zemljama gdje je dostupna,
hidroenergija je jedan od prvih razvijenih resursa za proizvodnju električne energije. Pored
iskorištavanja energije kod tekućih voda, također voda okeana ima velik energetski značaj.
Hidroenergija ili energija vode, je snaga dobivena iz sile ili energije tekuće vodene mase, koja
se može upotrijebiti u korisne svrhe.
Energija vode je najznačajniji obnovljivi izvor energije, a ujedno i jedini koji je ekonomski
konkurentan fosilnim gorivima i nuklearnoj energiji. U zadnjih 30 godina proizvodnja energije
u hidroelektranama je utrostručena, ali je time udio hidroenergije povećan za samo 50%.
Korištenje vode kao izvora energije seže u daleku prošlost, otprilike 100. godinu p.n.e, kada su
Grci i Rimljani počeli koristiti vodene točkove koje su se postavljali vertikalno i uzduž rijeke ili
potoka. Prvi opis takvog vertikalnog vodenog točka dao je Vitruvius, inženjer iz Augustovog
doba (31 – 14. godine p.n.e.), koji je opisivao sve aspekte Rimskog inženjerstva.
5.1. HIDROENERGIJA
Hidroenergija je najznačajniji obnovljivi izvor energije, koji proizvodi 20% električne energije u
svijetu, a procjenjuje se da je iskorišteno tek oko 25 % svjetskog hidroenergetskog potencijala.
Iako je proizvodnja energije u hidroelektranama utrostručena, njeno učešće u ukupnoj
proizvodnji energije iznosi oko 3.5 %. Energija vodenih tokova obuhvata sve potencijale za
dobivanje energije iz strujanja vode, tj. kopnenih vodotokova, plime i oseke i morskih talasa.
Procjenjuje se da tekuće vode na zemlji prozvode energiju od oko 40.000 TWh godišnje.
Tokovi sa malim protokom i padom vodene mase, vodotokovi malih snaga pogodni su za
izgradnju malih hidroelektrana (5 do 10 MW). Razvojem modernih hidro turbina, one danas
pružaju određene prednosti, u odnosu na velike hidroelektrane, naročito u pogledu ekološke
prihvatljivosti i znčajan su obnovljivi resurs. Male hidroelektrane su po pravilu tzv. protočne
hidroelektrane (ne koriste brane nego kanalima usmjeravaju riječni tok na turbine koje
pokreću generatore). U mnogim zemljama, male hidroelektrane postaju sve atraktivnije, jer
su, zamjenjujući potrošnju fosilnih goriva, u funkciji održivog razvoja i to ne samo u pogledu
očuvanja postojećih prirodnih resursa, već i u pogledu zaštite životne sredine.
Slika 5.1. Top 10 prozvođača hidroelektrične energije
41
Ljudi su dugo vremena koristili tekuću vodu kao izvor energije. U zemljama gdje je dostupna,
hidroenergija je jedan od prvih razvijenih resursa za proizvodnju električne energije. Pored
iskorištavanja energije kod tekućih voda, također voda okeana ima velik energetski značaj.
Hidroenergija ili energija vode, je snaga dobivena iz sile ili energije tekuće vodene mase, koja
se može upotrijebiti u korisne svrhe.
Energija vode je najznačajniji obnovljivi izvor energije, a ujedno i jedini koji je ekonomski
konkurentan fosilnim gorivima i nuklearnoj energiji. U zadnjih 30 godina proizvodnja energije
u hidroelektranama je utrostručena, ali je time udio hidroenergije povećan za samo 50%.
Korištenje vode kao izvora energije seže u daleku prošlost, otprilike 100. godinu p.n.e, kada su
Grci i Rimljani počeli koristiti vodene točkove koje su se postavljali vertikalno i uzduž rijeke ili
potoka. Prvi opis takvog vertikalnog vodenog točka dao je Vitruvius, inženjer iz Augustovog
doba (31 – 14. godine p.n.e.), koji je opisivao sve aspekte Rimskog inženjerstva.
5.1. HIDROENERGIJA
Hidroenergija je najznačajniji obnovljivi izvor energije, koji proizvodi 20% električne energije u
svijetu, a procjenjuje se da je iskorišteno tek oko 25 % svjetskog hidroenergetskog potencijala.
Iako je proizvodnja energije u hidroelektranama utrostručena, njeno učešće u ukupnoj
proizvodnji energije iznosi oko 3.5 %. Energija vodenih tokova obuhvata sve potencijale za
dobivanje energije iz strujanja vode, tj. kopnenih vodotokova, plime i oseke i morskih talasa.
Procjenjuje se da tekuće vode na zemlji prozvode energiju od oko 40.000 TWh godišnje.
Tokovi sa malim protokom i padom vodene mase, vodotokovi malih snaga pogodni su za
izgradnju malih hidroelektrana (5 do 10 MW). Razvojem modernih hidro turbina, one danas
pružaju određene prednosti, u odnosu na velike hidroelektrane, naročito u pogledu ekološke
prihvatljivosti i znčajan su obnovljivi resurs. Male hidroelektrane su po pravilu tzv. protočne
hidroelektrane (ne koriste brane nego kanalima usmjeravaju riječni tok na turbine koje
pokreću generatore). U mnogim zemljama, male hidroelektrane postaju sve atraktivnije, jer
su, zamjenjujući potrošnju fosilnih goriva, u funkciji održivog razvoja i to ne samo u pogledu
očuvanja postojećih prirodnih resursa, već i u pogledu zaštite životne sredine.
Slika 5.1. Top 10 prozvođača hidroelektrične energije
UVOD U ENERGETIKU
42
Prije nego što je komercijalna električna energija postala široko dostupna, energija vode se
koristila za navodnjavanje i pogon raznih strojeva, poput vodenica, strojeva u tekstilnoj
industriji, pilana, lučkih dizalica ili dizala. Od početka 20. stoljeća, termin se koristi većinom u
spoju s modernim razvojem hidroelektrične energije.
5.2. HIDROELEKTRANE
Hidroelektrana je mjesto gdje se potencijalna energija vode pretvara u kinetičku energiju, iz
kinetičke u mehaničku i na samom kraju u električnu energiju u električnom generatoru.
Hidroelektrane se mogu podijeliti na različite načine:
• Prema načinu korištenja,
• Prema smještaju samih postrojenja,
• Prema načinu pada toka,
• Prema instaliranoj snazi.
Postoje tri osnovne vrste hidroelektrana:
• protočne,
• akumulacijske i
• reverzibilne hidroelektrane.
Akumulacijske hidroelektrane su najčešći način dobivanja električne energije iz energije vode.
Glavni dijelovi takve elektrane su akumulacija, brana, zahvat, gravitacijski dovod, vodena
komora, zasunska komora, tlačni cjevovod, strojarnica i odvod vode, slika 5.2.
Slika 5.2. Šema hidroelektrane
U Bosni i Hercegovini postoje značajni instalirani kapaciteti za proizvodnju električne energije
iz snage vode, tabela 5.1.
42
Prije nego što je komercijalna električna energija postala široko dostupna, energija vode se
koristila za navodnjavanje i pogon raznih strojeva, poput vodenica, strojeva u tekstilnoj
industriji, pilana, lučkih dizalica ili dizala. Od početka 20. stoljeća, termin se koristi većinom u
spoju s modernim razvojem hidroelektrične energije.
5.2. HIDROELEKTRANE
Hidroelektrana je mjesto gdje se potencijalna energija vode pretvara u kinetičku energiju, iz
kinetičke u mehaničku i na samom kraju u električnu energiju u električnom generatoru.
Hidroelektrane se mogu podijeliti na različite načine:
• Prema načinu korištenja,
• Prema smještaju samih postrojenja,
• Prema načinu pada toka,
• Prema instaliranoj snazi.
Postoje tri osnovne vrste hidroelektrana:
• protočne,
• akumulacijske i
• reverzibilne hidroelektrane.
Akumulacijske hidroelektrane su najčešći način dobivanja električne energije iz energije vode.
Glavni dijelovi takve elektrane su akumulacija, brana, zahvat, gravitacijski dovod, vodena
komora, zasunska komora, tlačni cjevovod, strojarnica i odvod vode, slika 5.2.
Slika 5.2. Šema hidroelektrane
U Bosni i Hercegovini postoje značajni instalirani kapaciteti za proizvodnju električne energije
iz snage vode, tabela 5.1.
UVOD U ENERGETIKU
43
Tabela 5.1. Hidroelektrane u BiH
5.2.1. Brana
Brana se koristi za skladištenje velike količine vode koja se kasnije koristi za proizvodnju struje.
Brana se koristi za podizanje nivoa rijeka. Postoji nekoliko vrsta brana. Njihova struktura varira
u zavisnosti od uslova na zemlji. Brana je hidrotehnička građevina izgrađena preko riječne
doline ili korita radi iskorištavanja vodene mase. Branom se stvara umjetno (akumulacijsko)
jezero ili retencija (privremeno zadržavanje vode), kojem je namjena upravljanje toka rijeke.
Slika 5.3. Razne visine brana
5.2.2. Visina i protok vode
Relevantni parametri hidroelektrane su visina H, to je visina sa koje voda pada, i brzina
strujanja vode Ø. Snaga koja se može dobiti je potencijalna energija po jedinici vremena
uzrokovana tokom vode koja pada sa visine H.
P(kW) = H Ø g
„g“ je ubrzanje uslijed gravitacije i iznosi g = 9,81 m/s
2
.
Ovo je maksimalna teoretska snaga, jer svaki sistem ima stepen iskorištenja manji od 100%,
zbog različitih gubitaka i transformacije mehaničke energije u električnu.
43
Tabela 5.1. Hidroelektrane u BiH
5.2.1. Brana
Brana se koristi za skladištenje velike količine vode koja se kasnije koristi za proizvodnju struje.
Brana se koristi za podizanje nivoa rijeka. Postoji nekoliko vrsta brana. Njihova struktura varira
u zavisnosti od uslova na zemlji. Brana je hidrotehnička građevina izgrađena preko riječne
doline ili korita radi iskorištavanja vodene mase. Branom se stvara umjetno (akumulacijsko)
jezero ili retencija (privremeno zadržavanje vode), kojem je namjena upravljanje toka rijeke.
Slika 5.3. Razne visine brana
5.2.2. Visina i protok vode
Relevantni parametri hidroelektrane su visina H, to je visina sa koje voda pada, i brzina
strujanja vode Ø. Snaga koja se može dobiti je potencijalna energija po jedinici vremena
uzrokovana tokom vode koja pada sa visine H.
P(kW) = H Ø g
„g“ je ubrzanje uslijed gravitacije i iznosi g = 9,81 m/s
2
.
Ovo je maksimalna teoretska snaga, jer svaki sistem ima stepen iskorištenja manji od 100%,
zbog različitih gubitaka i transformacije mehaničke energije u električnu.
UVOD U ENERGETIKU
44
Ista izlazna snaga se može osigurati sa visokim padom vode H i malim protokom, kao što je
slučaj u planinama, na primjer, ili sa niskim padom vode H, ali sa velikoim protokom, kao što
je slučaj kod ravničarskih rijeka. Visoki pad odgovara visini koja je veća od 100 m , a niski pad
odgovara visini manjoj od 10 m. Srednji pad je između. Zapravo, ove granice između visine
pada nisu tako oštre. Sa visokim padom H, cjevovod kroz koji voda protiče mora da se odupre
visokom pritisku. Zbog velike gustine vode, pritisak se povećava za 1 bar svakih 10 m.
5.2.3. Turbina
Turbine su mašine koje koriste kinetičku energiju vode i pretvaraju je u rotacionu energiju. Turbine
se u osnovi mogu klasifikovati u tri glavne kategorije:
• reakcijske turbine,
• impulsne turbine i
• aksijalne turbine.
Reakcijske i impulsne turbine ne koriste samo kinetičku energiju vode nego i njen pritisak.
Izbor tehnologije turbine koja će se koristiti zavisi o prirodi hidroelektrane.
Tipična reakcijska turbina je Francis-ova turbina. Koriste se za srednje visine pada (između 10
i 100 m) i srednje protoke (obično između 1 i 100 m
3
/s). Francis-ova turbina ima rotor sa devet
ili više lopatica sa snagom od 800 MW. Značajno je da ista tehnologija turbine može raspolagati
različitim dinamičkim rasponom, od malih do velikih. Djeluje kad se nalazi potpuno ispod vode.
Turbine se koriste kod srednjih i velikih hidroelektrana, tako što se postave u kućište, gdje je
omogućen kontinuiran pritisak na lopatice. Francisove turbine su najefikasnije kada je brzina
lopatica malo manja od brzine vode. U reakcijskim turbinama, voda ulazi radijalno, ali iz
turbine izlazi aksijalno paralelno sa vratilom, koja rotira generator i proizvodi električnu
energiju. Francis-ove turbine koje rade u optimalnim uslovima se mogu postići efikasnost od
95%. Efikasnost može biti manja ako je smjer ulazne vode u odnosu na lopatice za vođenje
nepravilno podešen.
Impulsne turbine su prilagođene za visoki pad (više stotina metara) i mali protok (obično
manje od 1 m
3
/s). Kod impulsnih turbina, jedan ili više mlazova pod pritiskom udara u lopatice
koje se nalaze na obodu točka. Skoro sva upadna kinetička energija vode prenosi se na turbinu.
Pelton-ova turbina je najpoznatija turbina ovog tipa. Efikasnost reda veličine od 90% se može
postići u velikim sistemima, ali efikasnost može pasti na oko 50% u malim sistemima. Izlazna
snaga Pelton-ove turbine može se mijenjati promjenom protoka. Za razliku od reakcionih
turbina, Pelton-ove turbine rade i pomoću struje zraka. To su varijante Pelton-ovih turbina, ali
princip je isti.
Slika 5.4. Princip impulsne turbine
44
Ista izlazna snaga se može osigurati sa visokim padom vode H i malim protokom, kao što je
slučaj u planinama, na primjer, ili sa niskim padom vode H, ali sa velikoim protokom, kao što
je slučaj kod ravničarskih rijeka. Visoki pad odgovara visini koja je veća od 100 m , a niski pad
odgovara visini manjoj od 10 m. Srednji pad je između. Zapravo, ove granice između visine
pada nisu tako oštre. Sa visokim padom H, cjevovod kroz koji voda protiče mora da se odupre
visokom pritisku. Zbog velike gustine vode, pritisak se povećava za 1 bar svakih 10 m.
5.2.3. Turbina
Turbine su mašine koje koriste kinetičku energiju vode i pretvaraju je u rotacionu energiju. Turbine
se u osnovi mogu klasifikovati u tri glavne kategorije:
• reakcijske turbine,
• impulsne turbine i
• aksijalne turbine.
Reakcijske i impulsne turbine ne koriste samo kinetičku energiju vode nego i njen pritisak.
Izbor tehnologije turbine koja će se koristiti zavisi o prirodi hidroelektrane.
Tipična reakcijska turbina je Francis-ova turbina. Koriste se za srednje visine pada (između 10
i 100 m) i srednje protoke (obično između 1 i 100 m
3
/s). Francis-ova turbina ima rotor sa devet
ili više lopatica sa snagom od 800 MW. Značajno je da ista tehnologija turbine može raspolagati
različitim dinamičkim rasponom, od malih do velikih. Djeluje kad se nalazi potpuno ispod vode.
Turbine se koriste kod srednjih i velikih hidroelektrana, tako što se postave u kućište, gdje je
omogućen kontinuiran pritisak na lopatice. Francisove turbine su najefikasnije kada je brzina
lopatica malo manja od brzine vode. U reakcijskim turbinama, voda ulazi radijalno, ali iz
turbine izlazi aksijalno paralelno sa vratilom, koja rotira generator i proizvodi električnu
energiju. Francis-ove turbine koje rade u optimalnim uslovima se mogu postići efikasnost od
95%. Efikasnost može biti manja ako je smjer ulazne vode u odnosu na lopatice za vođenje
nepravilno podešen.
Impulsne turbine su prilagođene za visoki pad (više stotina metara) i mali protok (obično
manje od 1 m
3
/s). Kod impulsnih turbina, jedan ili više mlazova pod pritiskom udara u lopatice
koje se nalaze na obodu točka. Skoro sva upadna kinetička energija vode prenosi se na turbinu.
Pelton-ova turbina je najpoznatija turbina ovog tipa. Efikasnost reda veličine od 90% se može
postići u velikim sistemima, ali efikasnost može pasti na oko 50% u malim sistemima. Izlazna
snaga Pelton-ove turbine može se mijenjati promjenom protoka. Za razliku od reakcionih
turbina, Pelton-ove turbine rade i pomoću struje zraka. To su varijante Pelton-ovih turbina, ali
princip je isti.
Slika 5.4. Princip impulsne turbine
UVOD U ENERGETIKU
45
Aksijalne turbine se također nazivaju propeleri. Izgledaju slično propelerima broda sa klizačem
i lopaticama. One se pretežno koriste za male padove, između 3 i 30 m, ali sa velikim protokom
(10 – 100 m
3
/s). Turbina obično ima rotor sa tri do šest lopatica. Optimalna brzina lopatica je
oko dvostruko veća od brzine vode, što omogućava brzu rotaciju čak i za male brzine vode.
Tok vode je aksijalan, duž osovine turbine. Efikasnost može varirati sa promjenom ugla
lopatica u odnosu na dotok vode. Turbine su pogodne za velike protoke i koriste se u situaciji
niskog pada. Mnoge turbine imaju lopatice sa fiksiranim nagibom. Oni imaju visoku efikasnost
pri punom opterećenju, ali ova efikasnost može pasti na oko 50% pri nižim opterećenjima.
Kaplan-ove turbine su uređaji koji koriste lopatice promjenjivog nagiba. Oni pružaju visoku
efikasnost u bilo kojoj situaciji (od 90%).
Brzina rotacije turbine je također relevantan parametar koji se karakterizira kao specifična
brzina „Ns“, koja se definiše izrazom:
�
??????=??????√
�
??????
3/2
gdje je ω brzina rotacije (rad), H visina (m), a P snaga (KW). Sve vrste turbina imaju raspon
specifične brzine Ns na kojoj rade najbolje:
• propelerske turbine od 10 - 80,
• reakcione turbine od 100 - 350 i
• impulsne turbine od 70 - 500.
5.2.4. Male hidroelektrane
Ne postoji globalni sporazum za definisanje malih hidroelektrana. To zavisi od zemlje do
zemlje. Na primjer, u Francuskoj, male hidroelektrane odgovaraju instalacijama snage manje
od 10 MW, u Sjedinjenim Državama (30 MW), au Kini (50 MW). Zavisno o izlaznom kapacitetu
postrojenja, male hidroelektrane se nazivaju mini, mikro i piko. U razvijenim zemljama često
postoje podsticaji za razvoj malih hidroelektrana, ali postoji i nekoliko prepreka koje
sprečavaju brz razvoj zbog regulatornih ograničenja u okruženju.
Slika 5.5. Top 7 proizviđača malih hidroelektrana
45
Aksijalne turbine se također nazivaju propeleri. Izgledaju slično propelerima broda sa klizačem
i lopaticama. One se pretežno koriste za male padove, između 3 i 30 m, ali sa velikim protokom
(10 – 100 m
3
/s). Turbina obično ima rotor sa tri do šest lopatica. Optimalna brzina lopatica je
oko dvostruko veća od brzine vode, što omogućava brzu rotaciju čak i za male brzine vode.
Tok vode je aksijalan, duž osovine turbine. Efikasnost može varirati sa promjenom ugla
lopatica u odnosu na dotok vode. Turbine su pogodne za velike protoke i koriste se u situaciji
niskog pada. Mnoge turbine imaju lopatice sa fiksiranim nagibom. Oni imaju visoku efikasnost
pri punom opterećenju, ali ova efikasnost može pasti na oko 50% pri nižim opterećenjima.
Kaplan-ove turbine su uređaji koji koriste lopatice promjenjivog nagiba. Oni pružaju visoku
efikasnost u bilo kojoj situaciji (od 90%).
Brzina rotacije turbine je također relevantan parametar koji se karakterizira kao specifična
brzina „Ns“, koja se definiše izrazom:
�
??????=??????√
�
??????
3/2
gdje je ω brzina rotacije (rad), H visina (m), a P snaga (KW). Sve vrste turbina imaju raspon
specifične brzine Ns na kojoj rade najbolje:
• propelerske turbine od 10 - 80,
• reakcione turbine od 100 - 350 i
• impulsne turbine od 70 - 500.
5.2.4. Male hidroelektrane
Ne postoji globalni sporazum za definisanje malih hidroelektrana. To zavisi od zemlje do
zemlje. Na primjer, u Francuskoj, male hidroelektrane odgovaraju instalacijama snage manje
od 10 MW, u Sjedinjenim Državama (30 MW), au Kini (50 MW). Zavisno o izlaznom kapacitetu
postrojenja, male hidroelektrane se nazivaju mini, mikro i piko. U razvijenim zemljama često
postoje podsticaji za razvoj malih hidroelektrana, ali postoji i nekoliko prepreka koje
sprečavaju brz razvoj zbog regulatornih ograničenja u okruženju.
Slika 5.5. Top 7 proizviđača malih hidroelektrana
UVOD U ENERGETIKU
46
5.3. EKOLOŠKA PITANJA I TROŠKOVI
Uticaj hidroelektrana na prirodu može biti pozitivan i negativan. Tokom proizvodnje energije
ne dolazi do emisije CO2. Tokom izgradnje hidroelektrana dolazi do emisije CO2, ali je ona
veoma mala. Procjenjuje se da velike hidroelektrane emituju između 3,6 i 11,6 g CO2/kWh.
Količina emisije NO3 je također mala 3 - 6 mg NO3/kWh, a za SO2 9 - 24 mg SO2/ kWh. Velike
brane imaju uticaj na okolinu prilikom izgradnje (prašina, buka, zagađenje vode, poremećaj
sedimenata, potapanje zemljišta koje se nalazi uzvodno,…). Kada se izgradi brana rijeka
postaje vještačko jezero, što mijenja postojeći eko-sistem.
Hidroelektrane zahtijevaju visoke kapitalne izdatke. Investicioni troškovi se kreću od približno
1.000 €/kW za dobru lokaciju, pa sve do 6.000 €/kW za teže male hidroelektrane. Ukupni
troškovi hidroelektrane zavise od lokacije i od udaljenost do mjesta gdje se troši električna
energija. Prednost hidroenergije je da, kada se jednom izgradi, brana može trajati do 100
godina. Velike hidroelektrane proizvode električnu energiju po nižoj cijeni od hidroelektrane
malog obima. Hidroenergija je veoma konkurentan izvor za proizvodnju električne energije.
Slika 5.6. Investicioni troškovi (k€/kW)
5.4. ENERGIJA PLIME I OSEKE, OKEANA I MORSKIH VALOVA
Okeani pokrivaju 71% površine Zemlje i sadrže 97% ukupne količine vode na Zemlji. Prosječna
dubina okeana je 3.800 m, mnogo veća od prosječne visine zemljišta iznad razine mora, koja
iznosi 850 m. Ukupna zapremina morske vode je 1.320 × 10
6
km
3
. Voda u okeanu teži 300 puta
više od zemljine atmosfere i ima 1.200 puta veći toplotni kapacitet.
Godišnje okeani apsorbuju 37.000 Gtep energije Sunca što odgovara 4.3 × 10
8
TWh. Ova
statistika pruža upečatljivu ilustraciju ogromne količine energije koju dobivamo od Sunca.
Energija koja dolazi na površinu Zemlje nije ravnomjerno raspoređena. Više energije stiže na
ekvator nego na polove. Oko 10% energije apsorbovane u okeanu, preko Golfske struje,
doprinosi toploti u polarnim područjima. Ovaj prenos toplote je od najveće važnosti za klimu.
Postoji 6 izvora energije iz mora i to su:
• Energija vjetra na moru
• Snaga valova
• Energija morske struje
46
5.3. EKOLOŠKA PITANJA I TROŠKOVI
Uticaj hidroelektrana na prirodu može biti pozitivan i negativan. Tokom proizvodnje energije
ne dolazi do emisije CO2. Tokom izgradnje hidroelektrana dolazi do emisije CO2, ali je ona
veoma mala. Procjenjuje se da velike hidroelektrane emituju između 3,6 i 11,6 g CO2/kWh.
Količina emisije NO3 je također mala 3 - 6 mg NO3/kWh, a za SO2 9 - 24 mg SO2/ kWh. Velike
brane imaju uticaj na okolinu prilikom izgradnje (prašina, buka, zagađenje vode, poremećaj
sedimenata, potapanje zemljišta koje se nalazi uzvodno,…). Kada se izgradi brana rijeka
postaje vještačko jezero, što mijenja postojeći eko-sistem.
Hidroelektrane zahtijevaju visoke kapitalne izdatke. Investicioni troškovi se kreću od približno
1.000 €/kW za dobru lokaciju, pa sve do 6.000 €/kW za teže male hidroelektrane. Ukupni
troškovi hidroelektrane zavise od lokacije i od udaljenost do mjesta gdje se troši električna
energija. Prednost hidroenergije je da, kada se jednom izgradi, brana može trajati do 100
godina. Velike hidroelektrane proizvode električnu energiju po nižoj cijeni od hidroelektrane
malog obima. Hidroenergija je veoma konkurentan izvor za proizvodnju električne energije.
Slika 5.6. Investicioni troškovi (k€/kW)
5.4. ENERGIJA PLIME I OSEKE, OKEANA I MORSKIH VALOVA
Okeani pokrivaju 71% površine Zemlje i sadrže 97% ukupne količine vode na Zemlji. Prosječna
dubina okeana je 3.800 m, mnogo veća od prosječne visine zemljišta iznad razine mora, koja
iznosi 850 m. Ukupna zapremina morske vode je 1.320 × 10
6
km
3
. Voda u okeanu teži 300 puta
više od zemljine atmosfere i ima 1.200 puta veći toplotni kapacitet.
Godišnje okeani apsorbuju 37.000 Gtep energije Sunca što odgovara 4.3 × 10
8
TWh. Ova
statistika pruža upečatljivu ilustraciju ogromne količine energije koju dobivamo od Sunca.
Energija koja dolazi na površinu Zemlje nije ravnomjerno raspoređena. Više energije stiže na
ekvator nego na polove. Oko 10% energije apsorbovane u okeanu, preko Golfske struje,
doprinosi toploti u polarnim područjima. Ovaj prenos toplote je od najveće važnosti za klimu.
Postoji 6 izvora energije iz mora i to su:
• Energija vjetra na moru
• Snaga valova
• Energija morske struje
UVOD U ENERGETIKU
47
• Pretvaranje toplotne energije okeana
• Snaga plime i oseke
• Osmotska snaga
5.4.1. Energija vjetra na moru
Ukupna zabilježena snaga vjetra u svijetu veća je od 75 GW. Od toga 49 GW u Evropi. Budući
da postaje sve teže postavljenje vjetroagregata na kopnu, oni se postavljaju na more. Tu
postoji niz prednosti, a neke od njih su da vjetar na moru puše jače i konstantnije. To
omogućava povećanje faktora opterećenja i do 50%. Vjetroturbine se postavljaju na mjestima
gdje je dubina vode veća od 20 m.
5.4.2. Snaga valova
Snaga valova se dobija od vjetra. Teoretski godišnja količina energije koja je dostupna iz
energije valova je oko 1.400 TWh, što predstavlja oko 10% sadašnje svjetske potrošnje
električne energije. Instalacije moraju biti izgrađene tako da izdrže efekte talasa pod izuzetnim
okolnostima, kao što je oluja. U ovom slučaju valovi mogu ispoljiti sile 10 puta jače od
normalnih. Energija koju nosi val je suma njenog potencijala i kinetičke energije. U dubokoj
vodi, odnos disperzije nam govori da je frekvencija vala proporcionalna kvadratu perioda vala
„T“. Prema tome, snaga vala je proporcionalna kvadratu visine vala „h“ (od greben do korita)
i periodu vala. Teoretska maksimalna raspoloživa snaga je tada P ≈ 1,92 h
2
T , ali je maksimalna
moguća snaga P ≈ 0.96 h
2
T. To odgovara polovini snage jednog dubokog vodenog vala. S
obzirom na gubitke u prenosu, raspoloživa snaga predstavlja oko 10% teorijske snage jednog
dubokog vodenog vala Za sada najpoznatije tehnologije zahtijevaju oko 65 km obale da bi se
dobila snaga od 1.000 MW. Trenutno se koristi uređaj za pretvorbu energije valova, „Salter
patka“, slika 5.7. To je uređaj koji izvlači energiju koristeći polu-radijski pokret tako što se
prednja površine pomiče dok se incidentni val dotiče, ali je zadnja strana dizajnirana tako da
ne ometa vodu iza sebe.
Slika 5.7. Salter patka
Još jedna obećavajuća tehnologija je oscilatorna kolona vode (OWC), slika 5.8. Kada val udari
u OWC, voda unutar kolone se diže i komprimira vazduh unutra. Kada val padne, zrak se
povlaci nazad. Na vrhu kolone se nalazi zračna turbina, koja je povezana na geneerator koji
proizvodi električnu energiju. Prvi uspješan OWC uređaj proizveden je u Japanu.
47
• Pretvaranje toplotne energije okeana
• Snaga plime i oseke
• Osmotska snaga
5.4.1. Energija vjetra na moru
Ukupna zabilježena snaga vjetra u svijetu veća je od 75 GW. Od toga 49 GW u Evropi. Budući
da postaje sve teže postavljenje vjetroagregata na kopnu, oni se postavljaju na more. Tu
postoji niz prednosti, a neke od njih su da vjetar na moru puše jače i konstantnije. To
omogućava povećanje faktora opterećenja i do 50%. Vjetroturbine se postavljaju na mjestima
gdje je dubina vode veća od 20 m.
5.4.2. Snaga valova
Snaga valova se dobija od vjetra. Teoretski godišnja količina energije koja je dostupna iz
energije valova je oko 1.400 TWh, što predstavlja oko 10% sadašnje svjetske potrošnje
električne energije. Instalacije moraju biti izgrađene tako da izdrže efekte talasa pod izuzetnim
okolnostima, kao što je oluja. U ovom slučaju valovi mogu ispoljiti sile 10 puta jače od
normalnih. Energija koju nosi val je suma njenog potencijala i kinetičke energije. U dubokoj
vodi, odnos disperzije nam govori da je frekvencija vala proporcionalna kvadratu perioda vala
„T“. Prema tome, snaga vala je proporcionalna kvadratu visine vala „h“ (od greben do korita)
i periodu vala. Teoretska maksimalna raspoloživa snaga je tada P ≈ 1,92 h
2
T , ali je maksimalna
moguća snaga P ≈ 0.96 h
2
T. To odgovara polovini snage jednog dubokog vodenog vala. S
obzirom na gubitke u prenosu, raspoloživa snaga predstavlja oko 10% teorijske snage jednog
dubokog vodenog vala Za sada najpoznatije tehnologije zahtijevaju oko 65 km obale da bi se
dobila snaga od 1.000 MW. Trenutno se koristi uređaj za pretvorbu energije valova, „Salter
patka“, slika 5.7. To je uređaj koji izvlači energiju koristeći polu-radijski pokret tako što se
prednja površine pomiče dok se incidentni val dotiče, ali je zadnja strana dizajnirana tako da
ne ometa vodu iza sebe.
Slika 5.7. Salter patka
Još jedna obećavajuća tehnologija je oscilatorna kolona vode (OWC), slika 5.8. Kada val udari
u OWC, voda unutar kolone se diže i komprimira vazduh unutra. Kada val padne, zrak se
povlaci nazad. Na vrhu kolone se nalazi zračna turbina, koja je povezana na geneerator koji
proizvodi električnu energiju. Prvi uspješan OWC uređaj proizveden je u Japanu.
UVOD U ENERGETIKU
48
Slika 5.8. Princip rada OWC uređaja
5.4.3. Energija morske struje
Dostupnost morskih struja kao izvora energije je u suštini posljedica plima i, u manjoj mjeri,
topline i gustoće vode. Snaga struje zavisi od udaljenosti i relativne pozicije Mjeseca i Sunca u
odnosu na Zemlju. Pošto udaljenost varira zavisno od vremenskog perioda, tako i snaga
morske struje varira. Magnituda sile koja stvara energiju plime je oko 68% za Mesec i 32% za
Sunce. Energija iz vodenih struja može se usmjeriti u vodene turbine koje rade na istom
principu kao i vjetroturbine. Kinetička energija kretanja u turbini se naknadno pretvara u
mehaničku energiju, a zatim u struju.
5.4.4. Pretvaranje toplotne energije okeana
Tehnologija koja se koristi da iskoristi dio toplotne energije koja se nalazi u moru naziva se
Konverzija toplinske energije (OTEC), i bazirana je na principu toplinskog motora koji radi
između dva izvora na različitim temperaturama. U ovom slučaju vruća voda je na morskoj
površini, a hladna na velikim dubinama. Troškovi kapitalne investicije za OTEC su i dalje vrlo
veliki ≈ 5.000 – 10.000 $/kW. U budućnosti, termalna energija okeana može biti održiva opcija.
5.4.5. Snaga plime i oseke
Osnovna tehnika za korištenje ove energije se sastoji u blokiranju ušća barijerom, prisiljavajući
vodu da prolazi kroz turbine u cilju proizvodnje električne energije. Kada plima raste, brana je
otvorena i morska voda ulazi u akumulacioni bazen. Brana je zatvorena, a kada se plima spusti
i voda koji se nalazi u bazenu, može se ispustiti kroz turbine i proizvesti električnu energiju.
Raspon plime i oseke varira značajno od mjesta do mjesta. Najskuplji dio elektrane na plimu
je brana. Njena cijena je proporcionalna njenoj dužini L. Da bi bila ekonomski konkurentna,
pravilo da je odnos dužine i površine brane (L / A), manjiod 80.
Slika 5.9. Princip stvaranja energije plime i oseke
48
Slika 5.8. Princip rada OWC uređaja
5.4.3. Energija morske struje
Dostupnost morskih struja kao izvora energije je u suštini posljedica plima i, u manjoj mjeri,
topline i gustoće vode. Snaga struje zavisi od udaljenosti i relativne pozicije Mjeseca i Sunca u
odnosu na Zemlju. Pošto udaljenost varira zavisno od vremenskog perioda, tako i snaga
morske struje varira. Magnituda sile koja stvara energiju plime je oko 68% za Mesec i 32% za
Sunce. Energija iz vodenih struja može se usmjeriti u vodene turbine koje rade na istom
principu kao i vjetroturbine. Kinetička energija kretanja u turbini se naknadno pretvara u
mehaničku energiju, a zatim u struju.
5.4.4. Pretvaranje toplotne energije okeana
Tehnologija koja se koristi da iskoristi dio toplotne energije koja se nalazi u moru naziva se
Konverzija toplinske energije (OTEC), i bazirana je na principu toplinskog motora koji radi
između dva izvora na različitim temperaturama. U ovom slučaju vruća voda je na morskoj
površini, a hladna na velikim dubinama. Troškovi kapitalne investicije za OTEC su i dalje vrlo
veliki ≈ 5.000 – 10.000 $/kW. U budućnosti, termalna energija okeana može biti održiva opcija.
5.4.5. Snaga plime i oseke
Osnovna tehnika za korištenje ove energije se sastoji u blokiranju ušća barijerom, prisiljavajući
vodu da prolazi kroz turbine u cilju proizvodnje električne energije. Kada plima raste, brana je
otvorena i morska voda ulazi u akumulacioni bazen. Brana je zatvorena, a kada se plima spusti
i voda koji se nalazi u bazenu, može se ispustiti kroz turbine i proizvesti električnu energiju.
Raspon plime i oseke varira značajno od mjesta do mjesta. Najskuplji dio elektrane na plimu
je brana. Njena cijena je proporcionalna njenoj dužini L. Da bi bila ekonomski konkurentna,
pravilo da je odnos dužine i površine brane (L / A), manjiod 80.
Slika 5.9. Princip stvaranja energije plime i oseke
UVOD U ENERGETIKU
49
Iskorištavanje energije plime i oseke u zaljevu ili estuariju danas postoji u Francuskoj , Kanadi
i Rusiji, a moglo bi se proširiti i na ostale lokacije gdje je velika promjena razine mora u vrijeme
plime i oseke.
5.4.6. Osmotska snaga
Dobivanje energije osmozom je proces dobivanja električne energije temeljen na procesu
osmoze. Elektrane koje rade na principu osmoze posjeduju dva vodena spremnika ispunjena
vodom različitog stepna saliniteta. Uslijed razlike koncentracije natrijevog hlorida između dva
spremnika ispunjenih tekućinom dolazi do pojave osmoze. Koncentracija natrijevog hlorida u
odvojenim spremnicima teži izjednačavanju te stoga slatka voda počinje da teče u spremnik
sa slanom vodom, kroz polupropusnu membranu koja osigurava jednosmjeran tok vode.
Pritisak, koji se javlja u spremniku slane vode, jednak je pritisku na dubini od 120 metara pod
morem te ga je moguće iskoristiti za pogon turbine u generatoru.
Slika 5.10. Princip osmotske energije
Trenutno osmotska energija nije ekonomski konkurentna drugim metodama proizvodnje
energije. Još uvijek postoje značajni tehnološki problem koje treba riješiti. Troškovi,
održavanje i čišćenje membrana su među njima. Ako su pore ranije začepljene, korisni radni
vijek membrana je samo oko šest mjeseci. Međutim, dugoročno, to je energetski resurs koji
može biti zaista koristan.
49
Iskorištavanje energije plime i oseke u zaljevu ili estuariju danas postoji u Francuskoj , Kanadi
i Rusiji, a moglo bi se proširiti i na ostale lokacije gdje je velika promjena razine mora u vrijeme
plime i oseke.
5.4.6. Osmotska snaga
Dobivanje energije osmozom je proces dobivanja električne energije temeljen na procesu
osmoze. Elektrane koje rade na principu osmoze posjeduju dva vodena spremnika ispunjena
vodom različitog stepna saliniteta. Uslijed razlike koncentracije natrijevog hlorida između dva
spremnika ispunjenih tekućinom dolazi do pojave osmoze. Koncentracija natrijevog hlorida u
odvojenim spremnicima teži izjednačavanju te stoga slatka voda počinje da teče u spremnik
sa slanom vodom, kroz polupropusnu membranu koja osigurava jednosmjeran tok vode.
Pritisak, koji se javlja u spremniku slane vode, jednak je pritisku na dubini od 120 metara pod
morem te ga je moguće iskoristiti za pogon turbine u generatoru.
Slika 5.10. Princip osmotske energije
Trenutno osmotska energija nije ekonomski konkurentna drugim metodama proizvodnje
energije. Još uvijek postoje značajni tehnološki problem koje treba riješiti. Troškovi,
održavanje i čišćenje membrana su među njima. Ako su pore ranije začepljene, korisni radni
vijek membrana je samo oko šest mjeseci. Međutim, dugoročno, to je energetski resurs koji
može biti zaista koristan.
UVOD U ENERGETIKU
50
Biomasa je živi ili mrtav biološki materijal koji se može koristiti kao izvor energije. To je izvor
ugljika koji će biti od najveće važnosti u budućnosti. Kada fosilna goriva postanu manje
dostupna, sintetička goriva mogu se proizvesti iz biomase. U inventaru biomase dominira
biljna tvar, koja čini oko 90% ukupne količine, ali uključuje i životinjsku tvar i biorazgradivi
otpad. Zapaljivi otpad je uključen u inventar biomase pod uvjetom da je dobiven od živih ili
mrtvih bioloških materijala. To je slučaj s otpadom drveta i usjeva, životinjskim materijalima i
otpadom, pa čak i crnom lužinom (alkalna potrošena tekućina iz digestora koji se koristi u
proizvodnji papira). Uključeni su i komunalni otpad iz stambenih, poslovnih i javnih izvora.
Posljednji obuhvaća i bolnički otpad, ali on zahtijeva poseban tretman kako bi bili sigurni da
taj proces nema negativan uticaj na ljudsko zdravlje. Izraz biomasa ne uključuje organska
fosilna goriva, ugljen, naftu i plin, koji su nastali prije nekoliko stotina miliona godina. Drvo je
gorivo biomase koje se najduže koristi kao izvor energije. Cijena drveta je rasla, pa je ugljen
zamijenio drvo kao izvor energije, što je omogućilo brzo razvijanje industrije. Kao rezultat toga,
šumsko područje u Francuskoj danas je dvostruko više nego što je bilo prije industrijske
revolucije. Biomasa je obnovljivi izvor jer je vremenski okvir za iskorištavanje onoga što je
zasađeno unutar vremenskog okvira ljudskog života, što ne vrijedi za fosilna goriva. Biomasa
nije korisna samo za proizvodnju energije; ona je vrijedna i kao sirovina za građevinske
materijale, papir, biorazgradivu plastiku itd.
6.1. PROIZVODNJA BIOMASE
Biomasa se direktno ili indirektno proizvodi iz fotosinteze. Osnovna hemijska preobrazba može
se napisati u pojednostavljenom obliku kao:
Sunčeva energija + CO2 + H2O → CH2O + O2
U ovom procesu nastaju ugljikohidrati. Kisik, potreban za disanje živih bića, također se
proizvodi u procesu fotosinteze. Za svaki mol proizvedenog CH2O (30 g) ova reakcija apsorbira
500 kJ energije. Tu energiju osigurava sunčeva svjetlost. Vidimo da su za proces neophodni
CO2 i H2O. Ugljični dioksid je praktično svuda u zraku, ali postoje regije poput pustinja, gdje je
dostupno malo vode.
Kisika u početku nije bilo u izobilju u atmosferi Zemlje. Koncentracija kisika u zemljinoj
atmosferi progresivno se povećavala, dosegnuvši koncentraciju od 20,95% po volumenu u
zraku. Razvojem sloja ozona (O3) diljem našeg planeta zaustavljene su najopasnije UV zrake i
postalo je moguće da živa bića napuste more i nasele se na kopnu. Biljke i drugi organizmi
trebaju međusobno da održavaju ravnotežnu koncentraciju O2 u atmosferi. U odsutnosti
fotosinteze ili disanja, koncentracija kisika u zraku bi se postupno smanjivala. Kisik će nestati
iz atmosfere tokom razdoblja od približno 4 miliona godina.
Ukupna izloženost suncu varira zavisno o regiji na zemlji, kao i srednja primljena energija. Na
primjer, prosječna snaga primljena u SAD iznosi 185 W/m
2
, dok je u Francuskoj samo 130
W/m
2
. U Brazilu ili Australiji iznosi 200 W/m
2
. U blizini Crvenog mora ostvarena je prosječna
snaga 300 W/m
2
. Ako bi učinkovitost fotosinteze bila 100%, bilo bi moguće, s prosječnim
sunčevim zračenjem od 160 W/m
2
, proizvesti oko 3.000 t/godišnje suhe biomase po
stanovniku Zemlje. To odgovara oko 1.225 t/godisnje ugljika po stanovniku. Ustvari,
učinkovitost je daleko od 100%. To proizlazi iz apsorpcijskog spektra koji ograničava raspon
50
Biomasa je živi ili mrtav biološki materijal koji se može koristiti kao izvor energije. To je izvor
ugljika koji će biti od najveće važnosti u budućnosti. Kada fosilna goriva postanu manje
dostupna, sintetička goriva mogu se proizvesti iz biomase. U inventaru biomase dominira
biljna tvar, koja čini oko 90% ukupne količine, ali uključuje i životinjsku tvar i biorazgradivi
otpad. Zapaljivi otpad je uključen u inventar biomase pod uvjetom da je dobiven od živih ili
mrtvih bioloških materijala. To je slučaj s otpadom drveta i usjeva, životinjskim materijalima i
otpadom, pa čak i crnom lužinom (alkalna potrošena tekućina iz digestora koji se koristi u
proizvodnji papira). Uključeni su i komunalni otpad iz stambenih, poslovnih i javnih izvora.
Posljednji obuhvaća i bolnički otpad, ali on zahtijeva poseban tretman kako bi bili sigurni da
taj proces nema negativan uticaj na ljudsko zdravlje. Izraz biomasa ne uključuje organska
fosilna goriva, ugljen, naftu i plin, koji su nastali prije nekoliko stotina miliona godina. Drvo je
gorivo biomase koje se najduže koristi kao izvor energije. Cijena drveta je rasla, pa je ugljen
zamijenio drvo kao izvor energije, što je omogućilo brzo razvijanje industrije. Kao rezultat toga,
šumsko područje u Francuskoj danas je dvostruko više nego što je bilo prije industrijske
revolucije. Biomasa je obnovljivi izvor jer je vremenski okvir za iskorištavanje onoga što je
zasađeno unutar vremenskog okvira ljudskog života, što ne vrijedi za fosilna goriva. Biomasa
nije korisna samo za proizvodnju energije; ona je vrijedna i kao sirovina za građevinske
materijale, papir, biorazgradivu plastiku itd.
6.1. PROIZVODNJA BIOMASE
Biomasa se direktno ili indirektno proizvodi iz fotosinteze. Osnovna hemijska preobrazba može
se napisati u pojednostavljenom obliku kao:
Sunčeva energija + CO2 + H2O → CH2O + O2
U ovom procesu nastaju ugljikohidrati. Kisik, potreban za disanje živih bića, također se
proizvodi u procesu fotosinteze. Za svaki mol proizvedenog CH2O (30 g) ova reakcija apsorbira
500 kJ energije. Tu energiju osigurava sunčeva svjetlost. Vidimo da su za proces neophodni
CO2 i H2O. Ugljični dioksid je praktično svuda u zraku, ali postoje regije poput pustinja, gdje je
dostupno malo vode.
Kisika u početku nije bilo u izobilju u atmosferi Zemlje. Koncentracija kisika u zemljinoj
atmosferi progresivno se povećavala, dosegnuvši koncentraciju od 20,95% po volumenu u
zraku. Razvojem sloja ozona (O3) diljem našeg planeta zaustavljene su najopasnije UV zrake i
postalo je moguće da živa bića napuste more i nasele se na kopnu. Biljke i drugi organizmi
trebaju međusobno da održavaju ravnotežnu koncentraciju O2 u atmosferi. U odsutnosti
fotosinteze ili disanja, koncentracija kisika u zraku bi se postupno smanjivala. Kisik će nestati
iz atmosfere tokom razdoblja od približno 4 miliona godina.
Ukupna izloženost suncu varira zavisno o regiji na zemlji, kao i srednja primljena energija. Na
primjer, prosječna snaga primljena u SAD iznosi 185 W/m
2
, dok je u Francuskoj samo 130
W/m
2
. U Brazilu ili Australiji iznosi 200 W/m
2
. U blizini Crvenog mora ostvarena je prosječna
snaga 300 W/m
2
. Ako bi učinkovitost fotosinteze bila 100%, bilo bi moguće, s prosječnim
sunčevim zračenjem od 160 W/m
2
, proizvesti oko 3.000 t/godišnje suhe biomase po
stanovniku Zemlje. To odgovara oko 1.225 t/godisnje ugljika po stanovniku. Ustvari,
učinkovitost je daleko od 100%. To proizlazi iz apsorpcijskog spektra koji ograničava raspon
UVOD U ENERGETIKU
51
talasnih dužina korisnih u fotosintezi i na kvantnu učinkovitost fotosinteze. Uzimajući to u
obzir, teoretski prinos je 9%. U uobičajenim situacijama ostvariva transformacija sunčeve
energije u biomasu ima učinkovitost između 0,5 i 2%.
Relativna raspodjela različitih vrsta zemljišta u svijetu prikazana je na slici 6.1. Na svjetskoj
razini može se procijeniti da energija koja se može dobiti iz šuma i livada iznosi oko 1,3
toe/god. po stanovniku, a energija koja se može dobiti iz obradivih površina iznosi oko 0,7
toe/godišnje/ stanovniku.
Slika 6.1. Raspodjela različitih vrsta zemljišta na svijetu [15.000 milijuna hektara]
Proizvodnjom biomase ne možemo dobiti dovoljno energije za zadovoljavanje naših potreba
samo korištenjem biomase. Čini se da je teško poboljšati prinos od fotosinteze. Stoga se
moraju koristiti različite strategije za povećanje količine proizvedene biomase po jedinici
kultivirane površine. Jedan od načina za poboljšanje prinosa bio bi povećanje broja ciklusa
uzgoja svake godine. Drugi pristup za povećanje koristi od biomase je korištenje cijelog
postrojenja za proizvodnju energije ili za druge primjene.
6.2. STARI ENERGETSKI RESURSI
Biomasa je najstariji obnovljivi izvor energije koji ljudi koriste, ali se njegov doprinos svjetskoj
proizvodnji energije postepeno smanjivao. To se dogodilo jer fosilna goriva imaju veću gustoću
energije i relativno su jeftina. To posebno vrijedi u industrijaliziranim zemljama. Ipak, vrijedno
je spomenuti da biomasu trenutno koristi veći broj ljudi nego u prošlosti. Godine 1800. cijeli
je svijet za proizvodnju energije koristio biomasu, ali je ukupno stanovništvo bilo oko 1
milijarde stanovnika. Danas je biomasa i dalje glavni izvor energije za oko 3 milijarde od
procijenjenih 6,6 milijardi stanovnika Zemlje. Neki od razloga koji su povećali interes za
korištenje biomase za proizvodnju energije su zabrinutost oko dostupnosti fosilnih goriva i
troškova, zabrinutosti zbog emisija stakleničkih plinova i dostupnosti novih tehnologija
pretvorbe biomase. Velika prednost biomase u poređenju s drugim obnovljivim izvorima je u
tome što ona također ima ulogu sistema za skladištenje energije. Iako izgaranje biomase
proizvodi ugljen dioksid, stvaranje biomase mehanizmom fotosinteze također apsorbuje taj
plin. Glavni problem korištenja biomase koja se dobiva iz usjeva je da se mora takmičiti s
korištenjem tih usjeva u druge svrhe, npr. za hranu. Budući da je područje koje je na
raspolaganju za proizvodnju biomase premalo da bi se zadovoljile sve energetske potrebe,
snažna konkurencija između različitih upotreba mogla bi dovesti do snažnog povećanja cijena
sirovina. Na primjer, u SAD promicanje etanola dobivenog iz kukuruza kao goriva dovelo je do
povećanja cijene kukuruza i prehrambenih proizvoda od kukuruza. S druge strane, veća
potražnja za usjevima pomogla je lokalnom razvoju.
51
talasnih dužina korisnih u fotosintezi i na kvantnu učinkovitost fotosinteze. Uzimajući to u
obzir, teoretski prinos je 9%. U uobičajenim situacijama ostvariva transformacija sunčeve
energije u biomasu ima učinkovitost između 0,5 i 2%.
Relativna raspodjela različitih vrsta zemljišta u svijetu prikazana je na slici 6.1. Na svjetskoj
razini može se procijeniti da energija koja se može dobiti iz šuma i livada iznosi oko 1,3
toe/god. po stanovniku, a energija koja se može dobiti iz obradivih površina iznosi oko 0,7
toe/godišnje/ stanovniku.
Slika 6.1. Raspodjela različitih vrsta zemljišta na svijetu [15.000 milijuna hektara]
Proizvodnjom biomase ne možemo dobiti dovoljno energije za zadovoljavanje naših potreba
samo korištenjem biomase. Čini se da je teško poboljšati prinos od fotosinteze. Stoga se
moraju koristiti različite strategije za povećanje količine proizvedene biomase po jedinici
kultivirane površine. Jedan od načina za poboljšanje prinosa bio bi povećanje broja ciklusa
uzgoja svake godine. Drugi pristup za povećanje koristi od biomase je korištenje cijelog
postrojenja za proizvodnju energije ili za druge primjene.
6.2. STARI ENERGETSKI RESURSI
Biomasa je najstariji obnovljivi izvor energije koji ljudi koriste, ali se njegov doprinos svjetskoj
proizvodnji energije postepeno smanjivao. To se dogodilo jer fosilna goriva imaju veću gustoću
energije i relativno su jeftina. To posebno vrijedi u industrijaliziranim zemljama. Ipak, vrijedno
je spomenuti da biomasu trenutno koristi veći broj ljudi nego u prošlosti. Godine 1800. cijeli
je svijet za proizvodnju energije koristio biomasu, ali je ukupno stanovništvo bilo oko 1
milijarde stanovnika. Danas je biomasa i dalje glavni izvor energije za oko 3 milijarde od
procijenjenih 6,6 milijardi stanovnika Zemlje. Neki od razloga koji su povećali interes za
korištenje biomase za proizvodnju energije su zabrinutost oko dostupnosti fosilnih goriva i
troškova, zabrinutosti zbog emisija stakleničkih plinova i dostupnosti novih tehnologija
pretvorbe biomase. Velika prednost biomase u poređenju s drugim obnovljivim izvorima je u
tome što ona također ima ulogu sistema za skladištenje energije. Iako izgaranje biomase
proizvodi ugljen dioksid, stvaranje biomase mehanizmom fotosinteze također apsorbuje taj
plin. Glavni problem korištenja biomase koja se dobiva iz usjeva je da se mora takmičiti s
korištenjem tih usjeva u druge svrhe, npr. za hranu. Budući da je područje koje je na
raspolaganju za proizvodnju biomase premalo da bi se zadovoljile sve energetske potrebe,
snažna konkurencija između različitih upotreba mogla bi dovesti do snažnog povećanja cijena
sirovina. Na primjer, u SAD promicanje etanola dobivenog iz kukuruza kao goriva dovelo je do
povećanja cijene kukuruza i prehrambenih proizvoda od kukuruza. S druge strane, veća
potražnja za usjevima pomogla je lokalnom razvoju.
UVOD U ENERGETIKU
52
6.3. PROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE
Različite tehnologije se mogu koristiti za proizvodnju električne energije iz biomase:
• direktno izgaranje,
• suspaljivanje,
• gasifikacija,
• piroliza i
• anaerobna digestija.
Biomasa koja se koristi kao gorivo može doći iz biljaka, životinja ili otpada. Može se direktno
spaliti u termalnom postrojenju ili se mogu proizvesti međuproizvodi. Gorivo može biti u
različitim fizičkim stanjima: krutom, tekućem ili plinskom. Budući da je energetska gustoća
biomase tri puta manja od nafte, skladištenje goriva, transport i predobrada obično su važan
dio troškova proizvodnje električne energije. Dostupno je nekoliko različitih izvora biomase.
Među njima su šumski usjevi kratke rotacije (npr. eukaliptus, topola, vrba), višegodišnji usjevi
poput miscanthusa (slonova trava) ili usjevi šećerne trske ili uljane repice. Zanimljivi su i ostaci
od primarne proizvodnje biomase: npr. drvni ostaci iz šumarskih radova, ostaci slame iz
poljoprivrenih usjeva kao što su žitarice, šećerna trska, ulja i kokosove palme, guma, kafa i čaj.
Početkom 2000. SAD su imale instalirani kapacitet od 11 GW za proizvodnju električne energije
iz biomase. Ovaj kapacitet je bio podijeljen između šumskih ostataka i poljoprivredne
industrije (7,5 GW), komunalnog krutog otpada (3 GW) i drugih izvora, kao što je npr. zemni
plin (0,5 GW). Godine 1850. drvo je osiguravalo oko 91% ukupne energetske opskrbe SAD-a.
Danas se koristi 50% više drveta, ali to doprinosi samo vrlo malom dijelu ukupne potrošnje
energije (oko 1% ukupnog kapaciteta za proizvodnju električne energije).
Slika 6.2. Doprinos različitih izvora energije biomase u SAD-u za 2004. godinu
Doprinosi različitih izvora energije iz biomase uključuju sve energetske primjene biomase:
električnu energiju, toplinu i proizvodnju goriva za prevoz. U poređenju sa statistikom za 2000.
godinu, ove brojke otkrivaju da je u četiri godine došlo do smanjenja doprinosa energije
dobivene iz drveta za 12%, povećanja za energiju iz otpada za 10% i veoma snažnog povećanja
od 113% u upotrebi alkoholnih goriva.
52
6.3. PROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE
Različite tehnologije se mogu koristiti za proizvodnju električne energije iz biomase:
• direktno izgaranje,
• suspaljivanje,
• gasifikacija,
• piroliza i
• anaerobna digestija.
Biomasa koja se koristi kao gorivo može doći iz biljaka, životinja ili otpada. Može se direktno
spaliti u termalnom postrojenju ili se mogu proizvesti međuproizvodi. Gorivo može biti u
različitim fizičkim stanjima: krutom, tekućem ili plinskom. Budući da je energetska gustoća
biomase tri puta manja od nafte, skladištenje goriva, transport i predobrada obično su važan
dio troškova proizvodnje električne energije. Dostupno je nekoliko različitih izvora biomase.
Među njima su šumski usjevi kratke rotacije (npr. eukaliptus, topola, vrba), višegodišnji usjevi
poput miscanthusa (slonova trava) ili usjevi šećerne trske ili uljane repice. Zanimljivi su i ostaci
od primarne proizvodnje biomase: npr. drvni ostaci iz šumarskih radova, ostaci slame iz
poljoprivrenih usjeva kao što su žitarice, šećerna trska, ulja i kokosove palme, guma, kafa i čaj.
Početkom 2000. SAD su imale instalirani kapacitet od 11 GW za proizvodnju električne energije
iz biomase. Ovaj kapacitet je bio podijeljen između šumskih ostataka i poljoprivredne
industrije (7,5 GW), komunalnog krutog otpada (3 GW) i drugih izvora, kao što je npr. zemni
plin (0,5 GW). Godine 1850. drvo je osiguravalo oko 91% ukupne energetske opskrbe SAD-a.
Danas se koristi 50% više drveta, ali to doprinosi samo vrlo malom dijelu ukupne potrošnje
energije (oko 1% ukupnog kapaciteta za proizvodnju električne energije).
Slika 6.2. Doprinos različitih izvora energije biomase u SAD-u za 2004. godinu
Doprinosi različitih izvora energije iz biomase uključuju sve energetske primjene biomase:
električnu energiju, toplinu i proizvodnju goriva za prevoz. U poređenju sa statistikom za 2000.
godinu, ove brojke otkrivaju da je u četiri godine došlo do smanjenja doprinosa energije
dobivene iz drveta za 12%, povećanja za energiju iz otpada za 10% i veoma snažnog povećanja
od 113% u upotrebi alkoholnih goriva.
UVOD U ENERGETIKU
53
Slika 6.3. Pretvaranje energije biomase korištenjem termohemijskih,fizikalno-hemijskih
ili bioloških transformacijskih tehnika.
Kod termohemijske pretvorbe, biomasa se može koristiti u direktnom izgaranju za proizvodnju
topline, pretvoriti u kruto gorivo, pretvoriti pirolizom u tekuće gorivo, ili pretvoriti u plin u
procesu plinifikacije. Iz različitih vrsta biomase moguće je, zavisno o metodi transformacije,
proizvoditi kruta, tekuća ili plinovita goriva koja se mogu koristiti za proizvodnju topline ili
električne energije ili u nekim slučajevima kao gorivo za transport.
Kod fizikalno-hemijskih transformacija, tekuće gorivo može se dobiti direktno presovanjem i
ekstrakcijom ili esterifikacijom.
Biološka pretvorba može se provesti bilo fermentacijom / hidrolizom, koja proizvodi tekuće
gorivo, ili anaerobnom digestijom, što dovodi do plinovitog goriva (bioplin).
Sa svim tim gorivima, krutim, tekućim ili plinovitim, moguće je proizvoditi električnu energiju
pomoću odgovarajućih sistema: motora, parnih turbina, plinskih turbina ili gorivih ćelija.
Činjenica da je sirovina često raspršena i da je gustoća energije niska u poređenju s fosilnim
gorivima dovodi do visokih troškova transporta biomase do elektrana. Zbog toga se često
koriste manja postrojenja, koja su manje efikasna od onih velikih elektrana na fosilna goriva.
U SAD postoji veliki interes za proizvodnju električne energije pomoću biomase. Dok je
instalirana snaga bila manja od 200 MW u 1979, ona je sada dostigla oko 7.000 MW. Električna
energija iz biomase posebno je pogodna za ruralna područja gdje se dobiva veći dio biomase.
Ovdje male elektrane mogu biti bolje rješenje od velikih elektrana. Za poljoprivrednike
korištenje biljnih ostataka kao goriva može biti vrlo isplativo.
6.4. TEHNOLOGIJE
Postoji nekoliko tehnologija za proizvodnju električne energije iz raznih vrsta biomase.
6.4.1. Direktne tehnologije sagorijevanja
Većina postrojenja koja se danas koriste temelji se na direktnom izgaranju. U ovoj tehnologiji,
prikladno pripremljena kruta biomasa se spaljuje i koristi za zagrijavanje kotla i stvaranje pare.
Parna turbina pokreće alternator za proizvodnju električne energije. Direktno izgaranje može
se izvesti u fiksiranom sloju, u plitkom sloju ili u tehnikama sagorijevanja prašine. U tehnologiji
fiksiranog sloja, biomasa se spaljuje u sloju na rešetki koja se kreće kroz peć. Pepeo se uklanja
na izlazu. Prednost ove metode je niska cijena ulaganja u poređenju s drugim tehnologijama,
ali se može koristiti samo s određenim vrstama biomase. Tehnologija fluidiziranog sloja
53
Slika 6.3. Pretvaranje energije biomase korištenjem termohemijskih,fizikalno-hemijskih
ili bioloških transformacijskih tehnika.
Kod termohemijske pretvorbe, biomasa se može koristiti u direktnom izgaranju za proizvodnju
topline, pretvoriti u kruto gorivo, pretvoriti pirolizom u tekuće gorivo, ili pretvoriti u plin u
procesu plinifikacije. Iz različitih vrsta biomase moguće je, zavisno o metodi transformacije,
proizvoditi kruta, tekuća ili plinovita goriva koja se mogu koristiti za proizvodnju topline ili
električne energije ili u nekim slučajevima kao gorivo za transport.
Kod fizikalno-hemijskih transformacija, tekuće gorivo može se dobiti direktno presovanjem i
ekstrakcijom ili esterifikacijom.
Biološka pretvorba može se provesti bilo fermentacijom / hidrolizom, koja proizvodi tekuće
gorivo, ili anaerobnom digestijom, što dovodi do plinovitog goriva (bioplin).
Sa svim tim gorivima, krutim, tekućim ili plinovitim, moguće je proizvoditi električnu energiju
pomoću odgovarajućih sistema: motora, parnih turbina, plinskih turbina ili gorivih ćelija.
Činjenica da je sirovina često raspršena i da je gustoća energije niska u poređenju s fosilnim
gorivima dovodi do visokih troškova transporta biomase do elektrana. Zbog toga se često
koriste manja postrojenja, koja su manje efikasna od onih velikih elektrana na fosilna goriva.
U SAD postoji veliki interes za proizvodnju električne energije pomoću biomase. Dok je
instalirana snaga bila manja od 200 MW u 1979, ona je sada dostigla oko 7.000 MW. Električna
energija iz biomase posebno je pogodna za ruralna područja gdje se dobiva veći dio biomase.
Ovdje male elektrane mogu biti bolje rješenje od velikih elektrana. Za poljoprivrednike
korištenje biljnih ostataka kao goriva može biti vrlo isplativo.
6.4. TEHNOLOGIJE
Postoji nekoliko tehnologija za proizvodnju električne energije iz raznih vrsta biomase.
6.4.1. Direktne tehnologije sagorijevanja
Većina postrojenja koja se danas koriste temelji se na direktnom izgaranju. U ovoj tehnologiji,
prikladno pripremljena kruta biomasa se spaljuje i koristi za zagrijavanje kotla i stvaranje pare.
Parna turbina pokreće alternator za proizvodnju električne energije. Direktno izgaranje može
se izvesti u fiksiranom sloju, u plitkom sloju ili u tehnikama sagorijevanja prašine. U tehnologiji
fiksiranog sloja, biomasa se spaljuje u sloju na rešetki koja se kreće kroz peć. Pepeo se uklanja
na izlazu. Prednost ove metode je niska cijena ulaganja u poređenju s drugim tehnologijama,
ali se može koristiti samo s određenim vrstama biomase. Tehnologija fluidiziranog sloja
UVOD U ENERGETIKU
54
omogućuje sagorijevanje različitih vrsta biomase pod uslovm da je veličina čestica goriva
približno jednaka. U tim sistemima, gorivo sagorijeva u miješanoj suspenziji s vrućim i inertnim
granuliranim materijalom (kvarcni pijesak ili dolomit). Zrak ulazi ispod peći za napajanje
izgaranja. Ova tehnologija zahtijeva veće investicijske i operativne troškove. Postrojenja za
biomasu s direktnim izgaranjem obično imaju snagu manju od 100 MW.
6.4.2. Tehnologija suspaljivanja biomase
Tehnologija suspaljivanja biomase predstavlja direktno suspaljivanje u velikim postrojenjima
na ugalj i trenutno predstavlja najefikasnije korišćenje biomase za proizvodnju električne
energije. Efikasnost iskorištavanja biomase iznosi 35 do 45 %. Međutim, u većini slučajeva udio
biomase je ograničen na otprilike 5-10 %. Tehnologije suspaljivanja biomase koriste direktnu,
indirektnu ili paralelnu metodu za ubrizgavanje goriva. U direktnoj metodi mješavina biomase
i ugljena ubrizgava se direktno u peć. Pri indirektnom suspaljivanju vrši se rasplinjavanje
biomase prije suspaljivanja s ugljem, dok se kod paralelnog suspaljivanja biomasa sagorijeva u
odvojenom kotlu, ali koristeći paru proizvedenu unutar glavnog parnog kotla u postrojenju.
6.4.3. Gasifikacija biomase
Gasifikacija se sastoji od proizvodnje plinovitog goriva oksidacijom biomase zrakom, kisikom
ili parom na visokoj temperaturi. Proizvedeni plin je mješavina vodika (H2), ugljen monoksida
(CO), metana (CH4), ugljen dioksida (CO2) i vodene pare (H20). Također sadrži i neke količine
ugljikovodika. Pri tome se proizvode i anorganski i uljni ostaci. Proizvedeni plin se može spaliti
direktno u kotlovima. Da bi se upotrijebio kao gorivo u motornim ili plinskim turbinama
prethodno se treba očistiti uklanjanjem katrana i drugih vrsta nečistoća. Također, može se
koristiti i za sintezu drugih goriva, poput metanola ili vodika. U osnovi za gasifikaciju biomase
koriste se fiksirani ili fluidizirani sloj, koji rade na istim principima kao što je opisano za direktno
izgaranje. Postoje dva načina da se osigura zrak za proces gasifikacije:
• Zrak se može davati odozdo kroz rešetku i izlaziti s plinom na vrhu. Takva situacija odgovara
plinovitom gorivu jer se gorivo iz biomase i zrak kreću u protustrujama. Plin izlazi na vrhu
plinske instalacije. U tom procesu nastaju velike količine katrana.
• U sistemu koji se naziva rasplinjač donje vuče zrak i biomasa kreću se u istom smjeru.
Sintetički plin izlazi na dnu reaktora. Količina proizvedenog katrana je manja nego u
prethodnoj metodi, jer temperatura u vrućoj zoni, oko 1.000 °C, uzrokuje krekiranje
katrana. Proces plinifikacije je učinkovitiji zbog boljeg prijenosa topline između plinovitih i
krutih faza.
6.4.4. Anaerobna digestija
Digestija je biološki proces u kojem se organski materijali razgrađuju bakterijama u odsutnosti
kisika. Bakterije mogu biti prisutne u izvornom materijalu biomase ili se mogu uvesti izvana.
Proces se provodi u hermetički zatvorenom spremniku koji se naziva digestor. Ovim
postupkom može se pretvoriti bilo koji organski kruti ili tekući otpad. Posebno je efikasan za
tretiranje vlažnog organskog otpada. Koriste se poljoprivredni, industrijski i kućnii organski
otpad, mulj iz kanalizacije, nusproizvodi životinjskog porijekla i čvrsti organski komunalni
otpad. Bioplin proizveden iz otpada anaerobnom digestijom je mješavina koja se uglavnom
sastoji od metana (60 - 70%) i ugljen dioksida (30 - 40%). Ima nisku toplotnu vrijednost u
rasponu od 5 do 8 kWh/Nm
3
. za poređenje, čisti metan ima toplotnu vrijednost 10 kWh/Nm
3
.
Bioplin sadrži između 20 i 40% toplotne vrijednosti sirovine koja se koristi za proizvodnju.
54
omogućuje sagorijevanje različitih vrsta biomase pod uslovm da je veličina čestica goriva
približno jednaka. U tim sistemima, gorivo sagorijeva u miješanoj suspenziji s vrućim i inertnim
granuliranim materijalom (kvarcni pijesak ili dolomit). Zrak ulazi ispod peći za napajanje
izgaranja. Ova tehnologija zahtijeva veće investicijske i operativne troškove. Postrojenja za
biomasu s direktnim izgaranjem obično imaju snagu manju od 100 MW.
6.4.2. Tehnologija suspaljivanja biomase
Tehnologija suspaljivanja biomase predstavlja direktno suspaljivanje u velikim postrojenjima
na ugalj i trenutno predstavlja najefikasnije korišćenje biomase za proizvodnju električne
energije. Efikasnost iskorištavanja biomase iznosi 35 do 45 %. Međutim, u većini slučajeva udio
biomase je ograničen na otprilike 5-10 %. Tehnologije suspaljivanja biomase koriste direktnu,
indirektnu ili paralelnu metodu za ubrizgavanje goriva. U direktnoj metodi mješavina biomase
i ugljena ubrizgava se direktno u peć. Pri indirektnom suspaljivanju vrši se rasplinjavanje
biomase prije suspaljivanja s ugljem, dok se kod paralelnog suspaljivanja biomasa sagorijeva u
odvojenom kotlu, ali koristeći paru proizvedenu unutar glavnog parnog kotla u postrojenju.
6.4.3. Gasifikacija biomase
Gasifikacija se sastoji od proizvodnje plinovitog goriva oksidacijom biomase zrakom, kisikom
ili parom na visokoj temperaturi. Proizvedeni plin je mješavina vodika (H2), ugljen monoksida
(CO), metana (CH4), ugljen dioksida (CO2) i vodene pare (H20). Također sadrži i neke količine
ugljikovodika. Pri tome se proizvode i anorganski i uljni ostaci. Proizvedeni plin se može spaliti
direktno u kotlovima. Da bi se upotrijebio kao gorivo u motornim ili plinskim turbinama
prethodno se treba očistiti uklanjanjem katrana i drugih vrsta nečistoća. Također, može se
koristiti i za sintezu drugih goriva, poput metanola ili vodika. U osnovi za gasifikaciju biomase
koriste se fiksirani ili fluidizirani sloj, koji rade na istim principima kao što je opisano za direktno
izgaranje. Postoje dva načina da se osigura zrak za proces gasifikacije:
• Zrak se može davati odozdo kroz rešetku i izlaziti s plinom na vrhu. Takva situacija odgovara
plinovitom gorivu jer se gorivo iz biomase i zrak kreću u protustrujama. Plin izlazi na vrhu
plinske instalacije. U tom procesu nastaju velike količine katrana.
• U sistemu koji se naziva rasplinjač donje vuče zrak i biomasa kreću se u istom smjeru.
Sintetički plin izlazi na dnu reaktora. Količina proizvedenog katrana je manja nego u
prethodnoj metodi, jer temperatura u vrućoj zoni, oko 1.000 °C, uzrokuje krekiranje
katrana. Proces plinifikacije je učinkovitiji zbog boljeg prijenosa topline između plinovitih i
krutih faza.
6.4.4. Anaerobna digestija
Digestija je biološki proces u kojem se organski materijali razgrađuju bakterijama u odsutnosti
kisika. Bakterije mogu biti prisutne u izvornom materijalu biomase ili se mogu uvesti izvana.
Proces se provodi u hermetički zatvorenom spremniku koji se naziva digestor. Ovim
postupkom može se pretvoriti bilo koji organski kruti ili tekući otpad. Posebno je efikasan za
tretiranje vlažnog organskog otpada. Koriste se poljoprivredni, industrijski i kućnii organski
otpad, mulj iz kanalizacije, nusproizvodi životinjskog porijekla i čvrsti organski komunalni
otpad. Bioplin proizveden iz otpada anaerobnom digestijom je mješavina koja se uglavnom
sastoji od metana (60 - 70%) i ugljen dioksida (30 - 40%). Ima nisku toplotnu vrijednost u
rasponu od 5 do 8 kWh/Nm
3
. za poređenje, čisti metan ima toplotnu vrijednost 10 kWh/Nm
3
.
Bioplin sadrži između 20 i 40% toplotne vrijednosti sirovine koja se koristi za proizvodnju.
UVOD U ENERGETIKU
55
Za proizvodnju električne energije bioplin se koristi u postrojenjima malog kapaciteta u
rasponu od nekoliko desetaka kW do nekoliko MW. To se postiže korištenjem motora sa
unutrašnjim sagorijevanjem, izgaranjem u plinskim turbinama ili u kombiniranim ciklusima.
6.4.5. Piroliza
Piroliza je termička razgradnja biomase bez kisika. Rezultat tog procesa su čvrste čestice, bio-
ulje (tekućina koje se naziva i ulje pirolize) i mješavina zapaljivih plinova. Relativni omjeri
krutog, tekućeg i plinovitog mogu se uskladiti s temperaturom procesa i vremenom trajanja.
Slika 6.4. Tipični udio između tekućina ,ugljena i plina za različite radne uslove
Brza piroliza, s primarnim ciljem proizvodnje bio-nafte, čini se zanimljivom tehnologijom za
budućnost. Kod pirolize u pepelu, gdje se koriste više temperature i kraća vremena
zadržavanja nego kod brze pirolize, proizvod je 75 - 80% bio-nafte. Bio-nafta ima nižu toplotnu
vrijednost od oko 4,5 kWh/kg. Nakon transformacije, ova bio-nafte se može koristiti u
dizelskim motorima ili plinskim turbinama. Bio-nafte ima veću gustoću energije od čvrste
biomase iz koje se dobiva i lakše je skladištiti. Kao i nafta, bio-nafte je sredstvo za skladištenje
energije i može se koristiti prema potrebi.
6.5. PROIZVODNJA TOPLOTE
U proizvodnji električne energije iz biomase dobiva se i toplota. Oba vida energije mogu se
dobiti istovremeno, povećavajući na taj način ukupnu efikasnost. Trenutno je značajnija
upotreba biomase za proizvodnju toplote. U Evropskoj uniji drvo je najveći obnovljivi izvor
energije koji se koristi u tu svrhu. Može se proizvesti između 3 i 15 tona suhe biomase po
hektaru. Drvo ima nizak sadržaj vode u poređenju s ostalim biljnim materijalima: 40 - 60% za
svježe drvo, 20-25% za sušeno drvo. Njegova kalorična vrijednost je 3,9 - 5 kWh/kg ako se osuši
u pećnici i 2,6 - 3,6 kWh/kg ako se osuši na zraku. Uzimajući u obzir učinkovitost kotlova, 1 t
suhog drveta donosi 0,25 toe.
Drvo ne gori. Kada se zagrije, prvo apsorbira toplotu kako bi se uklonila vlaga, prije ispuštanja
plinova, na približno 200 °C. U prisutnosti zraka, plinovi izgaraju i oslobađa se toplota. To
povećava temperaturu do oko 800 °C. Drvo se pretvara u drveni ugljen, gorivo čija je kalorijska
vrijednost 9,1 kWh/kg. Temperature veće od 1.000 °C mogu se dobiti s ugljenom.
55
Za proizvodnju električne energije bioplin se koristi u postrojenjima malog kapaciteta u
rasponu od nekoliko desetaka kW do nekoliko MW. To se postiže korištenjem motora sa
unutrašnjim sagorijevanjem, izgaranjem u plinskim turbinama ili u kombiniranim ciklusima.
6.4.5. Piroliza
Piroliza je termička razgradnja biomase bez kisika. Rezultat tog procesa su čvrste čestice, bio-
ulje (tekućina koje se naziva i ulje pirolize) i mješavina zapaljivih plinova. Relativni omjeri
krutog, tekućeg i plinovitog mogu se uskladiti s temperaturom procesa i vremenom trajanja.
Slika 6.4. Tipični udio između tekućina ,ugljena i plina za različite radne uslove
Brza piroliza, s primarnim ciljem proizvodnje bio-nafte, čini se zanimljivom tehnologijom za
budućnost. Kod pirolize u pepelu, gdje se koriste više temperature i kraća vremena
zadržavanja nego kod brze pirolize, proizvod je 75 - 80% bio-nafte. Bio-nafta ima nižu toplotnu
vrijednost od oko 4,5 kWh/kg. Nakon transformacije, ova bio-nafte se može koristiti u
dizelskim motorima ili plinskim turbinama. Bio-nafte ima veću gustoću energije od čvrste
biomase iz koje se dobiva i lakše je skladištiti. Kao i nafta, bio-nafte je sredstvo za skladištenje
energije i može se koristiti prema potrebi.
6.5. PROIZVODNJA TOPLOTE
U proizvodnji električne energije iz biomase dobiva se i toplota. Oba vida energije mogu se
dobiti istovremeno, povećavajući na taj način ukupnu efikasnost. Trenutno je značajnija
upotreba biomase za proizvodnju toplote. U Evropskoj uniji drvo je najveći obnovljivi izvor
energije koji se koristi u tu svrhu. Može se proizvesti između 3 i 15 tona suhe biomase po
hektaru. Drvo ima nizak sadržaj vode u poređenju s ostalim biljnim materijalima: 40 - 60% za
svježe drvo, 20-25% za sušeno drvo. Njegova kalorična vrijednost je 3,9 - 5 kWh/kg ako se osuši
u pećnici i 2,6 - 3,6 kWh/kg ako se osuši na zraku. Uzimajući u obzir učinkovitost kotlova, 1 t
suhog drveta donosi 0,25 toe.
Drvo ne gori. Kada se zagrije, prvo apsorbira toplotu kako bi se uklonila vlaga, prije ispuštanja
plinova, na približno 200 °C. U prisutnosti zraka, plinovi izgaraju i oslobađa se toplota. To
povećava temperaturu do oko 800 °C. Drvo se pretvara u drveni ugljen, gorivo čija je kalorijska
vrijednost 9,1 kWh/kg. Temperature veće od 1.000 °C mogu se dobiti s ugljenom.
UVOD U ENERGETIKU
56
U 2005. godini proizvodnja energije u Evropi iznosila je 58,7 Mtoe i iznosila je 5-6% godišnje.
Te je godine Francuska bila najveći proizvođač s 9,6 Mtoe, zatim Švedska, Njemačka i Finska.
U Francuskoj više od 40% porodičnih kuća koristi drvo za grijanje (ponekad kao dodatni izvor).
Ostvaren je i značajan napredak u konstrukciji peći na drva. Stare peći s otvorenim ognjištima
imaju efikasnost manju od 10%, a noviji mogu dosegnuti 30%. Stare peći sa zatvorenim
ognjištima imaju efikasnost između 30% i 50%, dok nove mogu dostići 60-85%. Za jedno
punjenje drveta, otvorena ognjišta imaju radno vrijeme od nekoliko sati. To se povećava na
više od 10 h za peći sa zatvorenim ognjištem.
Drveni ugljen se obično dobiva zagrijavanjem drveta u odsutnosti kisika. Sadrži je 85 - 98%
ugljika i ima veću gustoću energije od drveta. Osim toga gori toplije i čistije. U prošlosti se
intenzivno koristio, prije dolaska fosilnih goriva, uglavnom kao gorivo, ali i u metalurgiji kao
redukcijsko sredstvo. Ugljen je bio presudno vezan za početak metalurgije, prije otprilike 5.000
godina. U ranijim vremenima potražnja za drvenim ugljenom bila je jedan od glavnih uzroka
krčenja šuma u Evropi. Kotao spojen na toplotnu mrežu može se koristiti za grijanje prostora i
toplu vodu u zgradama. U sistemima centralnog grijanja kotlovi na drva imaju efektivnost od
55 - 60% za manje efikasne, pa sve do 75- 85% za najbolje sisteme.
6.6. BIOMASA ZA KUHANJE
U zemljama u razvoju oko 2,5 milijarde ljudi koristi biomasu da bi zadovoljilo više od 90% svojih
potreba za energijom u kućanstvu. Oni spaljuju drvo, ugljen, životinjski izmet i poljoprivredne
ostatke. To se događa uglavnom u ruralnim područjima, ali je uobičajeno i u nekim urbanim
područjima. Biomasa se uglavnom koristi za kuhanje, što je primarna potražnja za energijom
u tim zemljama. Problem s korištenjem drveta, poljoprivrednih ostataka i životinjskog izmeta
kao goriva je visok nivo proizvedenog ugljen monoksida, ugljikovodika i čestica. Žene i djeca
najviše su pogođeni zagađenjem u zatvorenim prostorima. uzrokovanim izgaranjem biomase,
jer koriste vrlo primitivna sredstva za sagorijevanje biomase. Više od polovine žrtava su djeca
mlađa od pet godina. U pravilu, što je veća gustoća energije, to je manje onečišćenja.
6.7. UTJECAJ NA OKOLIŠ
Korištenje biomase ima primjetan utjecaj na okoliš na lokalnom i globalnom nivou. Neki od tih
učinaka su negativni, neki pozitivni. Utjecaj se odnosi i na potrebe povezane s uzgojem usjeva
za biomasu i na korištenje biomase za proizvodnju energije. Velika prednost biljne biomase je
u tome što se CO2 troši tokom rasta biomase. Međutim, kada se biomasa spaljuje ispušta se u
atmosferu. Uzgoj višegodišnjih usjeva poželjniji je od uzgoja jednogodišnjih usjeva, jer trajnice
smanjuju eroziju zemljišta i poboljšavaju organske tvari u tlu. Žitarice kratke rotacije zanimljive
su s obzirom na prinos, ali i zato što trebaju mnogo manje gnojiva nego konvencionalne
poljoprivredne kulture. Međutim, preobrazba travnjaka i uklanjanje šuma kako bi se uzgajali
novi usjevi mogu imati negativan utjecaj na emisije stakleničkih plinova jer to može osloboditi
značajne količine ugljen dioksida zarobljenog u tlu. Lignocelulozni materijali, kao što su drvo i
nusproizvodi, posebno su zanimljivi jer se ne koriste gnojiva za uzgoj šuma. Gnojivo može
stvoriti zagađenje tla i vode. Za bilo koji od ovih usjeva može biti potrebna velika količina vode.
Ispunjavanje te potrebe može smanjiti količinu vode koja protječe u rijeke i imati negativan
utjecaj na kvalitetu podzemnih voda kao i na ekosisteme. Na kraju treba napomenuti da, u
slučaju organskog otpada, njihova upotreba za proizvodnju energije ima pozitivan učinak
smanjenja količina ukupnog otpada. Proizvodnja energije predstavlja bonus.
56
U 2005. godini proizvodnja energije u Evropi iznosila je 58,7 Mtoe i iznosila je 5-6% godišnje.
Te je godine Francuska bila najveći proizvođač s 9,6 Mtoe, zatim Švedska, Njemačka i Finska.
U Francuskoj više od 40% porodičnih kuća koristi drvo za grijanje (ponekad kao dodatni izvor).
Ostvaren je i značajan napredak u konstrukciji peći na drva. Stare peći s otvorenim ognjištima
imaju efikasnost manju od 10%, a noviji mogu dosegnuti 30%. Stare peći sa zatvorenim
ognjištima imaju efikasnost između 30% i 50%, dok nove mogu dostići 60-85%. Za jedno
punjenje drveta, otvorena ognjišta imaju radno vrijeme od nekoliko sati. To se povećava na
više od 10 h za peći sa zatvorenim ognjištem.
Drveni ugljen se obično dobiva zagrijavanjem drveta u odsutnosti kisika. Sadrži je 85 - 98%
ugljika i ima veću gustoću energije od drveta. Osim toga gori toplije i čistije. U prošlosti se
intenzivno koristio, prije dolaska fosilnih goriva, uglavnom kao gorivo, ali i u metalurgiji kao
redukcijsko sredstvo. Ugljen je bio presudno vezan za početak metalurgije, prije otprilike 5.000
godina. U ranijim vremenima potražnja za drvenim ugljenom bila je jedan od glavnih uzroka
krčenja šuma u Evropi. Kotao spojen na toplotnu mrežu može se koristiti za grijanje prostora i
toplu vodu u zgradama. U sistemima centralnog grijanja kotlovi na drva imaju efektivnost od
55 - 60% za manje efikasne, pa sve do 75- 85% za najbolje sisteme.
6.6. BIOMASA ZA KUHANJE
U zemljama u razvoju oko 2,5 milijarde ljudi koristi biomasu da bi zadovoljilo više od 90% svojih
potreba za energijom u kućanstvu. Oni spaljuju drvo, ugljen, životinjski izmet i poljoprivredne
ostatke. To se događa uglavnom u ruralnim područjima, ali je uobičajeno i u nekim urbanim
područjima. Biomasa se uglavnom koristi za kuhanje, što je primarna potražnja za energijom
u tim zemljama. Problem s korištenjem drveta, poljoprivrednih ostataka i životinjskog izmeta
kao goriva je visok nivo proizvedenog ugljen monoksida, ugljikovodika i čestica. Žene i djeca
najviše su pogođeni zagađenjem u zatvorenim prostorima. uzrokovanim izgaranjem biomase,
jer koriste vrlo primitivna sredstva za sagorijevanje biomase. Više od polovine žrtava su djeca
mlađa od pet godina. U pravilu, što je veća gustoća energije, to je manje onečišćenja.
6.7. UTJECAJ NA OKOLIŠ
Korištenje biomase ima primjetan utjecaj na okoliš na lokalnom i globalnom nivou. Neki od tih
učinaka su negativni, neki pozitivni. Utjecaj se odnosi i na potrebe povezane s uzgojem usjeva
za biomasu i na korištenje biomase za proizvodnju energije. Velika prednost biljne biomase je
u tome što se CO2 troši tokom rasta biomase. Međutim, kada se biomasa spaljuje ispušta se u
atmosferu. Uzgoj višegodišnjih usjeva poželjniji je od uzgoja jednogodišnjih usjeva, jer trajnice
smanjuju eroziju zemljišta i poboljšavaju organske tvari u tlu. Žitarice kratke rotacije zanimljive
su s obzirom na prinos, ali i zato što trebaju mnogo manje gnojiva nego konvencionalne
poljoprivredne kulture. Međutim, preobrazba travnjaka i uklanjanje šuma kako bi se uzgajali
novi usjevi mogu imati negativan utjecaj na emisije stakleničkih plinova jer to može osloboditi
značajne količine ugljen dioksida zarobljenog u tlu. Lignocelulozni materijali, kao što su drvo i
nusproizvodi, posebno su zanimljivi jer se ne koriste gnojiva za uzgoj šuma. Gnojivo može
stvoriti zagađenje tla i vode. Za bilo koji od ovih usjeva može biti potrebna velika količina vode.
Ispunjavanje te potrebe može smanjiti količinu vode koja protječe u rijeke i imati negativan
utjecaj na kvalitetu podzemnih voda kao i na ekosisteme. Na kraju treba napomenuti da, u
slučaju organskog otpada, njihova upotreba za proizvodnju energije ima pozitivan učinak
smanjenja količina ukupnog otpada. Proizvodnja energije predstavlja bonus.
UVOD U ENERGETIKU
57
6.8. UDIO NA TRŽIŠTU
Biomasa je rastući izvor energije. Uglavnom se koristi za proizvodnju topline, ali i proizvodnju
električne energije. Električna energija proizvedena na biomasu obično nije ekonomski
konkurentna s električnom energijom proizvedenom u velikim postrojenjima za fosilna goriva.
Biomasa je činila 2,2% ukupne proizvodnje električne energije u Evropskoj uniji u 2005. godini,
a neobnovljivi otpad 1%. Ako se ograničimo na obnovljivi dio proizvodnje električne energije,
biomasa osigurava 15,1%. Godišnji rast proizvodnje električne energije između 1995. i 2005.
godine bio je 12,5% za biomasu i 13,5% za neobnovljivi otpad. U 2005. godini proizvedeno je
28,1 TWh od krute biomase, 13,7 TWh bioplina i 6,6 TWh iz obnovljivog otpada.
Trošak kapitala za proizvodnju električne energije uveliko zavisi o odabranoj tehnologiji. Može
varirati između 250 €/kW za postojeće elektrane na ugalj i nešto više od 2.500 €/kW za kotlove
sa plinskim ložištem ili za gasifikaciju povezanu s dizelskim motorom ili plinskom turbinom.
Može čak biti vrlo skupo i dostići 5.000 – 6.000 €/kW e za postrojenja za kombinovana
postrojenja. Trošak proizvedene električne energije također varira u velikom rasponu, od 0,02
do 0,14 €/kWh zavisno o tehnologiji. Efikasnost se kreću između 25 i 55% prema tehnologiji.
Međutim, cijena nije jedino što treba razmotriti. Biomasa potiče ruralni razvoj, a uzgoj usjeva
također stvara lokalna radna mjesta. Na slici 6.5 prikazano je osam vodećih proizvođača
energije od drveta u EU za 2004 godinu. U toj godini proizvedeno je ukupno 55,4 Mtoe.
Proizvodnja električne energije iznosila je 34,6 TWh, često u kombiniranim termoelektranama.
Slika 6.5. Osam vodećih proizvođača energije od drveta i pet vodećih proizvođača bioplina u EU
Na slici 6.5 prikazano je pet vodećih proizvođača bioplina EU za 2004. Ukupno je proizvedeno
4,12 Mtoe. Za razliku od dva lidera EU, koji proizvode mnogo električne energije iz bioplina,
Francuska ga koristi uglavnom za proizvodnju topline (56 ktoe za toplinu i 42 ktoe za električnu
energiju).Upotreba goriva iz biomase za prijevoz također je područje koje se brzo razvija.
6.9. BIOGORIVA
Biogoriva su goriva koja se dobiju preradom biomase. Biogoriva postaju popularna zbog rasta
cijena nafte, potrebe za sigurnijim pribavljanjem energije, zabrinutosti zbog štetnih emisija
stakleničkih plinova, ukratko iz ekonomskih i ekoloških potreba. Treba imati na umu da, iako
biogoriva mogu smanjiti našu potražnju za naftom, ne mogu u potpunosti zamijeniti naftu za
napajanje vozila. Oni mogu osigurati 10-20% ukupnog goriva potrebnog za prijevoz.
57
6.8. UDIO NA TRŽIŠTU
Biomasa je rastući izvor energije. Uglavnom se koristi za proizvodnju topline, ali i proizvodnju
električne energije. Električna energija proizvedena na biomasu obično nije ekonomski
konkurentna s električnom energijom proizvedenom u velikim postrojenjima za fosilna goriva.
Biomasa je činila 2,2% ukupne proizvodnje električne energije u Evropskoj uniji u 2005. godini,
a neobnovljivi otpad 1%. Ako se ograničimo na obnovljivi dio proizvodnje električne energije,
biomasa osigurava 15,1%. Godišnji rast proizvodnje električne energije između 1995. i 2005.
godine bio je 12,5% za biomasu i 13,5% za neobnovljivi otpad. U 2005. godini proizvedeno je
28,1 TWh od krute biomase, 13,7 TWh bioplina i 6,6 TWh iz obnovljivog otpada.
Trošak kapitala za proizvodnju električne energije uveliko zavisi o odabranoj tehnologiji. Može
varirati između 250 €/kW za postojeće elektrane na ugalj i nešto više od 2.500 €/kW za kotlove
sa plinskim ložištem ili za gasifikaciju povezanu s dizelskim motorom ili plinskom turbinom.
Može čak biti vrlo skupo i dostići 5.000 – 6.000 €/kW e za postrojenja za kombinovana
postrojenja. Trošak proizvedene električne energije također varira u velikom rasponu, od 0,02
do 0,14 €/kWh zavisno o tehnologiji. Efikasnost se kreću između 25 i 55% prema tehnologiji.
Međutim, cijena nije jedino što treba razmotriti. Biomasa potiče ruralni razvoj, a uzgoj usjeva
također stvara lokalna radna mjesta. Na slici 6.5 prikazano je osam vodećih proizvođača
energije od drveta u EU za 2004 godinu. U toj godini proizvedeno je ukupno 55,4 Mtoe.
Proizvodnja električne energije iznosila je 34,6 TWh, često u kombiniranim termoelektranama.
Slika 6.5. Osam vodećih proizvođača energije od drveta i pet vodećih proizvođača bioplina u EU
Na slici 6.5 prikazano je pet vodećih proizvođača bioplina EU za 2004. Ukupno je proizvedeno
4,12 Mtoe. Za razliku od dva lidera EU, koji proizvode mnogo električne energije iz bioplina,
Francuska ga koristi uglavnom za proizvodnju topline (56 ktoe za toplinu i 42 ktoe za električnu
energiju).Upotreba goriva iz biomase za prijevoz također je područje koje se brzo razvija.
6.9. BIOGORIVA
Biogoriva su goriva koja se dobiju preradom biomase. Biogoriva postaju popularna zbog rasta
cijena nafte, potrebe za sigurnijim pribavljanjem energije, zabrinutosti zbog štetnih emisija
stakleničkih plinova, ukratko iz ekonomskih i ekoloških potreba. Treba imati na umu da, iako
biogoriva mogu smanjiti našu potražnju za naftom, ne mogu u potpunosti zamijeniti naftu za
napajanje vozila. Oni mogu osigurati 10-20% ukupnog goriva potrebnog za prijevoz.
UVOD U ENERGETIKU
58
Glavni problem s kojim se suočavaju biogoriva je konkurencija koja postoji s biomasom hrane,
što može dovesti do povećanja cijena hrane. Područje obradivog zemljišta u svijetu opada. To
se kretalo od 0,5 hektara po stanovniku u 1950. godini do 0,3 ha po stanovniku u 1990. godini.
Očekuje se da će se ovo područje nastaviti smanjivati na oko 0,1 do 0,2 ha po stanovniku do
2050. godine. Povećali su se i prinosi usjeva namijenjeni biogorivima. Npr. u SAD proizvodni
prinos etanola po jedinici površine povećavao se za 2,7% godišnje tokom posljednjih 20
godina, a u Brazilu za 3,8% godišnje tokom posljednjih 30 godina. Međutim, dodatni pritisak
na korištenje zemljišta uzrokovan kultiviranjem energetskih usjeva mogao bi imati veliki
utjecaj na cijene hrane.
Izgaranje biogoriva ili njihovo korištenje za pogon vozila dovodi do ispuštanja CO2, kao i kod
izgaranja fosilnih goriva. Međutim, biljke koje se koriste za proizvodnju biogoriva apsorbuju
CO2 tokom procesa uzgoja, dok se za fosilna goriva apsorpcija CO2 dogodila prije nekoliko
stotina miliona godina. Apsorpcija CO2 u savremenoj proizvodnji biomase djelomično
kompenzuje količinu CO2 koja se emituje u konačnoj upotrebi.
Krajem devetnaestog stoljeća Francuska je već razmatrala upotrebu denaturiranog alkohola
kao goriva. Glavni razlog je bilo smanjenje ovisnosti zemlje o stranim zalihama nafte i osigurati
energetsku sigurnost. Poljoprivredni viškovi su postojali i pružili su još jedan dobar razlog za
korištenje usjeva za proizvodnju biogoriva. Prije Prvog svjetskog rata, autobusi iz Pariza bili su
pokretani mješavinom benzina i denaturiranog alkohola (30%). Budući da je problem alkohola
njegova niska kalorična vrijednost u poređenju s benzinom, denaturirani alkohol prethodno je
pomiješan s benzinom (do 50%). Između 1920. i 1950. etanol se naširoko koristio kao gorivo
za vozila. Proizvodnja je bila reda veličine 2 Mhl godišnje. To je otprilike dvostruko više od
današnje proizvodnje za pokretanje automobila u Francuskoj. Pedesetih godina dvadesetog
stoljeća bilo je moguće napuniti spremnik automobila mješavinom nazvanom tri-super-azur
koju je prodala firma Antar. Ova smjesa se sastojala od 75% benzina, 15% etanola i 10%
benzola. Šezdesetih se etanol više nije koristio kao gorivo za vozila iz dva razloga. Prvo, nafta
je bila jeftina, a drugo, više nije bilo viška šećerne repe. Šećer se koristio u prehrambenoj i
hemijskoj industriji. Tek nakon naftnih šokova 1973. i 1979. došlo je do ponovnog interesa za
biogoriva. To je bilo potkrijepljeno ponovnom pojavom poljoprivrednog viška.
6.9.1. Biogoriva prve generacije
Prvi način proizvodnje biogoriva bio je korišenje usjeva koji sadrže visoku koncentraciju šećera,
kao što su šećerna trska, šećerna repa ili skroba kao što su kukuruz, pšenica i ječam. Tada se
fermentacijom kvasca dobije etanol. Drugi način je uzgoj biljaka kao što su palmino ulje, soja,
repica i suncokreti koji sadrže visoku koncentraciju biljnog ulja. Lignocelulozna biomasa kao
što je drvo i drvni ostaci, na primjer, koristit će se kao biogoriva druge generacije.
6.9.2. Biogoriva za benzinske motore
Biogoriva za benzinske motore su etilni alkohol (etanol) ili derivat kao što je ETBE (etil-terc-
butil eter). Osim etanola za benzinske motore se može koristiti i metanol, koji je jeftiniji od
etanola. Međutim, metanol je otrovni proizvod i posebno je opasan jer se lahko može miješati
s vodom. MTBE (metil-tert-butil eter) je hemijski derivat metanola analogan ETBE-u, ali
predstavlja ozbiljan rizik za okoliš. Etanol je primarno biogorivo koje se koristi u svijetu. Etanol
ima veći oktanski broj od benzina. Može se miješati u bilo kojem omjeru s benzinom. Često se
miješa u koncentracijama do 5%, što ne zahtijeva velike promjene u automobilskom motoru.
58
Glavni problem s kojim se suočavaju biogoriva je konkurencija koja postoji s biomasom hrane,
što može dovesti do povećanja cijena hrane. Područje obradivog zemljišta u svijetu opada. To
se kretalo od 0,5 hektara po stanovniku u 1950. godini do 0,3 ha po stanovniku u 1990. godini.
Očekuje se da će se ovo područje nastaviti smanjivati na oko 0,1 do 0,2 ha po stanovniku do
2050. godine. Povećali su se i prinosi usjeva namijenjeni biogorivima. Npr. u SAD proizvodni
prinos etanola po jedinici površine povećavao se za 2,7% godišnje tokom posljednjih 20
godina, a u Brazilu za 3,8% godišnje tokom posljednjih 30 godina. Međutim, dodatni pritisak
na korištenje zemljišta uzrokovan kultiviranjem energetskih usjeva mogao bi imati veliki
utjecaj na cijene hrane.
Izgaranje biogoriva ili njihovo korištenje za pogon vozila dovodi do ispuštanja CO2, kao i kod
izgaranja fosilnih goriva. Međutim, biljke koje se koriste za proizvodnju biogoriva apsorbuju
CO2 tokom procesa uzgoja, dok se za fosilna goriva apsorpcija CO2 dogodila prije nekoliko
stotina miliona godina. Apsorpcija CO2 u savremenoj proizvodnji biomase djelomično
kompenzuje količinu CO2 koja se emituje u konačnoj upotrebi.
Krajem devetnaestog stoljeća Francuska je već razmatrala upotrebu denaturiranog alkohola
kao goriva. Glavni razlog je bilo smanjenje ovisnosti zemlje o stranim zalihama nafte i osigurati
energetsku sigurnost. Poljoprivredni viškovi su postojali i pružili su još jedan dobar razlog za
korištenje usjeva za proizvodnju biogoriva. Prije Prvog svjetskog rata, autobusi iz Pariza bili su
pokretani mješavinom benzina i denaturiranog alkohola (30%). Budući da je problem alkohola
njegova niska kalorična vrijednost u poređenju s benzinom, denaturirani alkohol prethodno je
pomiješan s benzinom (do 50%). Između 1920. i 1950. etanol se naširoko koristio kao gorivo
za vozila. Proizvodnja je bila reda veličine 2 Mhl godišnje. To je otprilike dvostruko više od
današnje proizvodnje za pokretanje automobila u Francuskoj. Pedesetih godina dvadesetog
stoljeća bilo je moguće napuniti spremnik automobila mješavinom nazvanom tri-super-azur
koju je prodala firma Antar. Ova smjesa se sastojala od 75% benzina, 15% etanola i 10%
benzola. Šezdesetih se etanol više nije koristio kao gorivo za vozila iz dva razloga. Prvo, nafta
je bila jeftina, a drugo, više nije bilo viška šećerne repe. Šećer se koristio u prehrambenoj i
hemijskoj industriji. Tek nakon naftnih šokova 1973. i 1979. došlo je do ponovnog interesa za
biogoriva. To je bilo potkrijepljeno ponovnom pojavom poljoprivrednog viška.
6.9.1. Biogoriva prve generacije
Prvi način proizvodnje biogoriva bio je korišenje usjeva koji sadrže visoku koncentraciju šećera,
kao što su šećerna trska, šećerna repa ili skroba kao što su kukuruz, pšenica i ječam. Tada se
fermentacijom kvasca dobije etanol. Drugi način je uzgoj biljaka kao što su palmino ulje, soja,
repica i suncokreti koji sadrže visoku koncentraciju biljnog ulja. Lignocelulozna biomasa kao
što je drvo i drvni ostaci, na primjer, koristit će se kao biogoriva druge generacije.
6.9.2. Biogoriva za benzinske motore
Biogoriva za benzinske motore su etilni alkohol (etanol) ili derivat kao što je ETBE (etil-terc-
butil eter). Osim etanola za benzinske motore se može koristiti i metanol, koji je jeftiniji od
etanola. Međutim, metanol je otrovni proizvod i posebno je opasan jer se lahko može miješati
s vodom. MTBE (metil-tert-butil eter) je hemijski derivat metanola analogan ETBE-u, ali
predstavlja ozbiljan rizik za okoliš. Etanol je primarno biogorivo koje se koristi u svijetu. Etanol
ima veći oktanski broj od benzina. Može se miješati u bilo kojem omjeru s benzinom. Često se
miješa u koncentracijama do 5%, što ne zahtijeva velike promjene u automobilskom motoru.
UVOD U ENERGETIKU
59
Veće koncentracije, između 5 i 10%, koriste se u SAD (gasohol E10) i između 20 i 24% (ili čak
100%) u Brazilu. Proizvod nazvan E85 sadrži 85% etanola. Prisutnost kisika u hemijskoj formuli
ima pozitivan učinak na izgaranje u motoru, smanjujući ispuštanje nepotpuno spaljenih
ugljikovodika i djelomično oksidiranih produkata. Međutim, energetski sadržaj etanola je oko
25-30% manji od benzina. Prema tome, ako se, npr., koristi mješavina E85, uočava se
povećanje potrošnje goriva od 25-30%. Proizvođači su razvili specijalna vozila koja mogu
koristiti bilo koju kombinaciju etanola i benzina. Automatski podešavaju kontrolu motora
prema mješavini goriva koja se koristi mjerenjem ispušnog kisika. Etanol je korozivan za mnoge
dijelove vozila - gumena crijeva, aluminij, komore za izgaranje - i to zahtijeva posebnu obradu
u konstrukciji vozila. Oko 80% proizvedenog etanola sada se koristi kao biogorivo. Brazil i SAD
čine više od dvije trećine svjetske proizvodnje etanola. Brazil koristi šećernu trsku, a SAD
kukuruz za proizvodnju etanola. U Brazilu etanol čini 40% potrošnje goriva, a površina od 5
Mha je namijenjena uzgoju šećerne trske. 2005. globalna proizvodnja etanola bila je 34 Mm
3
.
Neke biljke, kao što su šećerna trska ili šećerna repa, proizvode šećer kako bi pohranile
dodatnu energiju. Većina komercijalnog šećera proizvodi se iz šećerne trske (≈ 70%), a ostatak
od šećerne repe. Šećerna trska se uglavnom uzgaja u tropskim zemljama i šećerna repa u
umjerenim zonama na sjeveru. U svijetu se godišnje proizvede više od 120 miliona tona šećera.
Sjeverna Amerika 36%, Južna Amerika 36%, Evropa 10%, Azija 15% , ostali 2%, slika 6.6.
Slika 6.6. Udio proizvodnje bioetanola, 2005.
Brazil je u stanju proizvesti etanol po vrlo konkurentnoj cijeni: oko 0,15 €/L. To je oko 40%
jeftinije od etanola dobivenog iz kukuruza u SAD-u i 70% jeftinije od etanola dobivenog iz
šećerne repe ili žitarica u Evropi. Razvijanje usjeva za proizvodnju biogoriva zahtijeva ne samo
zemlju nego i adekvatnu vodu. U tom pogledu Brazil je u povoljnom položaju jer ima 18%
slatkovodnih resursa na svijetu. Pored toga, 90% šećerne trske koja se uzgaja na jugu zemlje
ne treba navodnjavanje.
Nagli porast od 2000. godine odražava veliki porast interesa za proizvodnju bioetanola i
njegovo korištenje kao goriva za vozila. Zamjena 10% goriva korištenih za prevoz biogorivima
zahtijevala bi upotrebu oko 20% obradivih površina u Europi i 25% u SAD-u. Ukupno 1 tona
šećerne trske (0,154 toe) je energija ekvivalentna oko 1 barelu nafte. Ako koristimo samo šećer
u šećernoj trsci, prosječna količina proizvedenog etanola po hektarima je oko 6 tona, što je
ekvivalentno oko 3,8 toe/ha.
59
Veće koncentracije, između 5 i 10%, koriste se u SAD (gasohol E10) i između 20 i 24% (ili čak
100%) u Brazilu. Proizvod nazvan E85 sadrži 85% etanola. Prisutnost kisika u hemijskoj formuli
ima pozitivan učinak na izgaranje u motoru, smanjujući ispuštanje nepotpuno spaljenih
ugljikovodika i djelomično oksidiranih produkata. Međutim, energetski sadržaj etanola je oko
25-30% manji od benzina. Prema tome, ako se, npr., koristi mješavina E85, uočava se
povećanje potrošnje goriva od 25-30%. Proizvođači su razvili specijalna vozila koja mogu
koristiti bilo koju kombinaciju etanola i benzina. Automatski podešavaju kontrolu motora
prema mješavini goriva koja se koristi mjerenjem ispušnog kisika. Etanol je korozivan za mnoge
dijelove vozila - gumena crijeva, aluminij, komore za izgaranje - i to zahtijeva posebnu obradu
u konstrukciji vozila. Oko 80% proizvedenog etanola sada se koristi kao biogorivo. Brazil i SAD
čine više od dvije trećine svjetske proizvodnje etanola. Brazil koristi šećernu trsku, a SAD
kukuruz za proizvodnju etanola. U Brazilu etanol čini 40% potrošnje goriva, a površina od 5
Mha je namijenjena uzgoju šećerne trske. 2005. globalna proizvodnja etanola bila je 34 Mm
3
.
Neke biljke, kao što su šećerna trska ili šećerna repa, proizvode šećer kako bi pohranile
dodatnu energiju. Većina komercijalnog šećera proizvodi se iz šećerne trske (≈ 70%), a ostatak
od šećerne repe. Šećerna trska se uglavnom uzgaja u tropskim zemljama i šećerna repa u
umjerenim zonama na sjeveru. U svijetu se godišnje proizvede više od 120 miliona tona šećera.
Sjeverna Amerika 36%, Južna Amerika 36%, Evropa 10%, Azija 15% , ostali 2%, slika 6.6.
Slika 6.6. Udio proizvodnje bioetanola, 2005.
Brazil je u stanju proizvesti etanol po vrlo konkurentnoj cijeni: oko 0,15 €/L. To je oko 40%
jeftinije od etanola dobivenog iz kukuruza u SAD-u i 70% jeftinije od etanola dobivenog iz
šećerne repe ili žitarica u Evropi. Razvijanje usjeva za proizvodnju biogoriva zahtijeva ne samo
zemlju nego i adekvatnu vodu. U tom pogledu Brazil je u povoljnom položaju jer ima 18%
slatkovodnih resursa na svijetu. Pored toga, 90% šećerne trske koja se uzgaja na jugu zemlje
ne treba navodnjavanje.
Nagli porast od 2000. godine odražava veliki porast interesa za proizvodnju bioetanola i
njegovo korištenje kao goriva za vozila. Zamjena 10% goriva korištenih za prevoz biogorivima
zahtijevala bi upotrebu oko 20% obradivih površina u Europi i 25% u SAD-u. Ukupno 1 tona
šećerne trske (0,154 toe) je energija ekvivalentna oko 1 barelu nafte. Ako koristimo samo šećer
u šećernoj trsci, prosječna količina proizvedenog etanola po hektarima je oko 6 tona, što je
ekvivalentno oko 3,8 toe/ha.
UVOD U ENERGETIKU
60
Slika 6.7. Brzi porast proizvodnje bioetanola
Ako se iskoristi sva raspoloživa energija, može se dobiti ekvivalent od 85 barela nafte po
hektaru. Do sada se, među ostacima, za proizvodnju energije (toplote ili električne energije)
koristi samo bagasse (ostatak u proizvodnji šećerne trske). Ostali lignocelulozni ostaci se ne
koriste. Prerada šećerne repe također ima nusproizvode.
60
Slika 6.7. Brzi porast proizvodnje bioetanola
Ako se iskoristi sva raspoloživa energija, može se dobiti ekvivalent od 85 barela nafte po
hektaru. Do sada se, među ostacima, za proizvodnju energije (toplote ili električne energije)
koristi samo bagasse (ostatak u proizvodnji šećerne trske). Ostali lignocelulozni ostaci se ne
koriste. Prerada šećerne repe također ima nusproizvode.
UVOD U ENERGETIKU
61
Geotermalna energija je energija koja potiče iz dubine Zemljine kore. Naziv potiče od grčkih
riječi geo (što znači zemlja) i riječi therma (toplota). Geotermalna energija je obnovljiv, čist
izvor energije koji bi jednog dana mogao da zadovolji značajan udio svjetske energetske
potrošnje.
U središtu Zemlje (oko 6.400 km ispod njene površine) nalazi se veoma vrelo jezgro. Naučnici
procijenjuju da se temperatura jezgra kreće oko 4.200 °C. Središte jezgra je u čvrstom
agregatnom stanju. Toplota iz ovog dijela jezgra je dovoljno velika da istopi kamen u tečnost
po imenu magma. Toplota iz magme se penje kroz omotač jezgra (mantl, ili plašt). Kao što i
sam naziv kaže omotač jezgra je sloj koji okružuje jezgro.
Gejzire, vulkane i geotermalne izvore, sve pokreće geotermalna energija. Erupcije vulkana su
sigurno najpoznatije geotermalne pojave. Prilikom erupcije, magma iz podzemlja izlijeće iz
Zemljine kore i nastavlja da teče po površini u vidu lave. Vremenom, ljudi su spoznali i naučili
načine kako da iskoriste geotermalnu energiju u vidu grijanja svojih domova i proizvodnje
električne energije.
Slika 7.1. Slojevi Zemlje
Pod geotermalnom energijom se podrazumijeva toplotna energija akumulirana u fluidima i
stijenskim masama u Zemljinoj kori. Potencijali geotermalne energije su ogromni, tako da se
ona tretira kao obnovljiva, mada je po svojoj suštini neobnovljiva. O veličinama tih potencijala
najbolje govori činjenica, da je akumulirana toplota u Zemljinom omotaču tolika, da bi
smanjenje temperature Zemljine kore za samo 0,1 °С omogućilo toliko energije da se svijet
snadbijeva električnom energijom na sadašnjem nivou potrošnje, za narednih 15.000 godina.
Pri razmatranju potencijala geotermalne energije zadržavamo se na potencijalima u fluidima i
stjenskim masama do dubine od 10.000 m, dubine koje se već danas postižu u eksploataciji
nafte i gasa. Ukupni potencijal geotermalne energije za dubine od 10.000 m su za oko 8.150
puta veći od ukupnih (uključujući i spekulativne) rezervi konvencionalnih goriva. Ako se samo
0,1% tih geotermalnih potencijala iskoristi za proizvodnju električne energije sa stepenom
iskorištenja od 25% u periodu od 1.000 godina, biće potreban minimalan instalisan kapacitet
od 10 miliona MW.
61
Geotermalna energija je energija koja potiče iz dubine Zemljine kore. Naziv potiče od grčkih
riječi geo (što znači zemlja) i riječi therma (toplota). Geotermalna energija je obnovljiv, čist
izvor energije koji bi jednog dana mogao da zadovolji značajan udio svjetske energetske
potrošnje.
U središtu Zemlje (oko 6.400 km ispod njene površine) nalazi se veoma vrelo jezgro. Naučnici
procijenjuju da se temperatura jezgra kreće oko 4.200 °C. Središte jezgra je u čvrstom
agregatnom stanju. Toplota iz ovog dijela jezgra je dovoljno velika da istopi kamen u tečnost
po imenu magma. Toplota iz magme se penje kroz omotač jezgra (mantl, ili plašt). Kao što i
sam naziv kaže omotač jezgra je sloj koji okružuje jezgro.
Gejzire, vulkane i geotermalne izvore, sve pokreće geotermalna energija. Erupcije vulkana su
sigurno najpoznatije geotermalne pojave. Prilikom erupcije, magma iz podzemlja izlijeće iz
Zemljine kore i nastavlja da teče po površini u vidu lave. Vremenom, ljudi su spoznali i naučili
načine kako da iskoriste geotermalnu energiju u vidu grijanja svojih domova i proizvodnje
električne energije.
Slika 7.1. Slojevi Zemlje
Pod geotermalnom energijom se podrazumijeva toplotna energija akumulirana u fluidima i
stijenskim masama u Zemljinoj kori. Potencijali geotermalne energije su ogromni, tako da se
ona tretira kao obnovljiva, mada je po svojoj suštini neobnovljiva. O veličinama tih potencijala
najbolje govori činjenica, da je akumulirana toplota u Zemljinom omotaču tolika, da bi
smanjenje temperature Zemljine kore za samo 0,1 °С omogućilo toliko energije da se svijet
snadbijeva električnom energijom na sadašnjem nivou potrošnje, za narednih 15.000 godina.
Pri razmatranju potencijala geotermalne energije zadržavamo se na potencijalima u fluidima i
stjenskim masama do dubine od 10.000 m, dubine koje se već danas postižu u eksploataciji
nafte i gasa. Ukupni potencijal geotermalne energije za dubine od 10.000 m su za oko 8.150
puta veći od ukupnih (uključujući i spekulativne) rezervi konvencionalnih goriva. Ako se samo
0,1% tih geotermalnih potencijala iskoristi za proizvodnju električne energije sa stepenom
iskorištenja od 25% u periodu od 1.000 godina, biće potreban minimalan instalisan kapacitet
od 10 miliona MW.
UVOD U ENERGETIKU
62
Da bi se definisale rezerve, potrebno je odrediti mogućnost ekonomskog korištenja
geotermalne energije, a to je danas moguće za proizvodnju toplotne i električne energije.
Polagano, prirodno raspadanje radioaktivnih elemenata (u prvom redu urana, torijuma i
kalijuma), koji se nalaze u svim stijenama, proizvodi ogromnu termičku energiju. Geotermalna
energija se može smatrati fosilnom nuklearnom energijom; ona je tzv. unutrašnja toplotna
energija. Ukupna toplota u unutrašnosti zemlje iznosi oko 3,76 × 10
21
kJ ili 89.665 Gtoe .
Budući da urana, torijuma i kalijuma ima najviše u granitnim stijenama, toplota se nešto više
razvija u Zemljinoj kori, nego pod morem i u stijenama mladih geoloških formacija intezivnije
nego u starijim stijenama. Neki od osnovnih podataka o geotermalnoj energiji:
• 99% Zemljine kugle je toplije od 1.000 °C,
• samo 0,1% Zemljine lopte je hladnije od 100 °C,
• uzrok geotermalne energije je raspadanje prirodno radioaktivnih elemenata,
• toplotni fluks geotermalne energije kroz Zemljinu koru je veći od 40 milijardi kW
(4 puta više od svijetske potrošnje energije)
Difuzija unutrašnje toplote veoma je polagana i izaziva srednji temperaturni gradijent od
10 °С po km i to za prvih 100 km od površine. Taj gradijent polagano raste prema središtu
Zemlje gdje temperatura iznosi oko 6.000 °С. Energija koja se provođenjem toplote dovodi na
površinu iznosi u prosjeku oko 5,4 kJ/m
2
dnevno. Računa se da je potrebno oko 100 miliona
godina da toplota koja se nalazi u Zemljinoj kori, do dubine 100 km, stigne na površinu
djelovanjem provođenja. Gustina te energije je jako mala i ona se ne može koristiti. Kada
govorimo o geotermalnoj energiji, mislimo na onu koja је akumulirana u stijenama Zemljine
kore, a ne na onu koja provođenjem struji ka površini.
Razlikujemo 4 grupe geotermalnih energetskih izvora:
• Hidrogeotermalna energija izvora vruće vode,
• Hidrogeotermalna energija izvora vodene pare,
• Hidrogeotermalna energija vrele vode u velikim dubinama,
• Petrotermička energija - energija vrelih i suhih stijena
Danas su ovi vidovi energije važniji nego ikad. Ljudi širom svijeta koriste veliki dio ove energije
na grijanje objekata, proizvodnju električne energije i na druge načine Kako se sve više zemalja
svijeta bude razvijalo, potreba za električnom energijom će nastaviti da raste. Dok ljudski rod
nastavlja potragu za novim izvorima energije, mnogi smatraju da će geotermalna energija
igrati veliku ulogu u budućnosti.
7.1. HISTORIJSKI RAZVOJ GEOTERMALNE ENERGIJE
Površinske toplotne manifestacije (izbijanje gasova, vodene pare, vrelih i toplih voda,
vulkani...) bile su čovjeku poznate već hiljadama godina, pa su se tople vode koristile za
kupanje i liječenje. Takva primjena toplih voda se naročito razvila u velikim imperijama kojim
su vladali Rimljani, Vizantijci i Turci, a zatim se razvila i u ostalm dijelovima sveta.
Sve do sredine 18. vijeka geotermalne vode su se koristile samo za kupanje i balneološke svrhe,
a od sredine 19. vijeka sve više i više, pa su nastajale mnogobrojne banje od kojih su neke i
danas poznate. Do tih vremena se sasvim malo izučava porijeklo, priroda, prostiranje i
razmještaj toplote u Zemlji i u njenom gornjem dijelu Zemljinoj kori, a skoro se ništa nije radilo
na procjenjivanju geotermalnih potencijala. Značajnija proučavanja pomenutih pitanja su
62
Da bi se definisale rezerve, potrebno je odrediti mogućnost ekonomskog korištenja
geotermalne energije, a to je danas moguće za proizvodnju toplotne i električne energije.
Polagano, prirodno raspadanje radioaktivnih elemenata (u prvom redu urana, torijuma i
kalijuma), koji se nalaze u svim stijenama, proizvodi ogromnu termičku energiju. Geotermalna
energija se može smatrati fosilnom nuklearnom energijom; ona je tzv. unutrašnja toplotna
energija. Ukupna toplota u unutrašnosti zemlje iznosi oko 3,76 × 10
21
kJ ili 89.665 Gtoe .
Budući da urana, torijuma i kalijuma ima najviše u granitnim stijenama, toplota se nešto više
razvija u Zemljinoj kori, nego pod morem i u stijenama mladih geoloških formacija intezivnije
nego u starijim stijenama. Neki od osnovnih podataka o geotermalnoj energiji:
• 99% Zemljine kugle je toplije od 1.000 °C,
• samo 0,1% Zemljine lopte je hladnije od 100 °C,
• uzrok geotermalne energije je raspadanje prirodno radioaktivnih elemenata,
• toplotni fluks geotermalne energije kroz Zemljinu koru je veći od 40 milijardi kW
(4 puta više od svijetske potrošnje energije)
Difuzija unutrašnje toplote veoma je polagana i izaziva srednji temperaturni gradijent od
10 °С po km i to za prvih 100 km od površine. Taj gradijent polagano raste prema središtu
Zemlje gdje temperatura iznosi oko 6.000 °С. Energija koja se provođenjem toplote dovodi na
površinu iznosi u prosjeku oko 5,4 kJ/m
2
dnevno. Računa se da je potrebno oko 100 miliona
godina da toplota koja se nalazi u Zemljinoj kori, do dubine 100 km, stigne na površinu
djelovanjem provođenja. Gustina te energije je jako mala i ona se ne može koristiti. Kada
govorimo o geotermalnoj energiji, mislimo na onu koja је akumulirana u stijenama Zemljine
kore, a ne na onu koja provođenjem struji ka površini.
Razlikujemo 4 grupe geotermalnih energetskih izvora:
• Hidrogeotermalna energija izvora vruće vode,
• Hidrogeotermalna energija izvora vodene pare,
• Hidrogeotermalna energija vrele vode u velikim dubinama,
• Petrotermička energija - energija vrelih i suhih stijena
Danas su ovi vidovi energije važniji nego ikad. Ljudi širom svijeta koriste veliki dio ove energije
na grijanje objekata, proizvodnju električne energije i na druge načine Kako se sve više zemalja
svijeta bude razvijalo, potreba za električnom energijom će nastaviti da raste. Dok ljudski rod
nastavlja potragu za novim izvorima energije, mnogi smatraju da će geotermalna energija
igrati veliku ulogu u budućnosti.
7.1. HISTORIJSKI RAZVOJ GEOTERMALNE ENERGIJE
Površinske toplotne manifestacije (izbijanje gasova, vodene pare, vrelih i toplih voda,
vulkani...) bile su čovjeku poznate već hiljadama godina, pa su se tople vode koristile za
kupanje i liječenje. Takva primjena toplih voda se naročito razvila u velikim imperijama kojim
su vladali Rimljani, Vizantijci i Turci, a zatim se razvila i u ostalm dijelovima sveta.
Sve do sredine 18. vijeka geotermalne vode su se koristile samo za kupanje i balneološke svrhe,
a od sredine 19. vijeka sve više i više, pa su nastajale mnogobrojne banje od kojih su neke i
danas poznate. Do tih vremena se sasvim malo izučava porijeklo, priroda, prostiranje i
razmještaj toplote u Zemlji i u njenom gornjem dijelu Zemljinoj kori, a skoro se ništa nije radilo
na procjenjivanju geotermalnih potencijala. Značajnija proučavanja pomenutih pitanja su
UVOD U ENERGETIKU
63
nastala u 19. vijeku, pa je formirana jedna nova, u suštini specifična geološka nauka
„Geotermija“. Ova nauka se sve više i sve bolje bavila pomenutom problematikom, uključujući
i načinima istraživanja i korištenja izvora geotermalne energije.
Među naučnicima koji su se bavili geotermalnom problematikom pojavila se težnja da se
raspoloživi geotermalni potencijal koristi i primenjuje i u druge svrhe sem kupanja i
balneologije. Tako je u Larderellu (Toskana) ostvarena 1827. godine primjena geotermalnih
voda za proizvodnju borne kiseline. Ovaj događaj se smatra prvim energetskim korištenjem
geotermalnih voda. Prvi pokušaj korištenja vodene pare za dobijanje mehaničke energije
ostvaren je 1894., takođe u Larderellu, puštanjem u pogon parne mašine (7 kW).
Početkom 20-tog vijeka florentinski princ Ginori Conti osnovao je sopstvenu kompaniju za
korištenje pare iz prirodnih gejzira geotemalnog polja Larderello, slika 7.2, a 1904. godine
ostvarena prva eksperimentalna proizvodnja električne energije. Nekoliko godina kasnije,
tačnije 1913. godine instalirana je prva parna turbina snage 250 kW koja je pokretala
generator napona 4.000 V, da bi 1914. godine bila izgrađena prva geotermoelektrana (GTE) sa
tri turbogeneratora snage po 2.750 kW, što je u tadašnjim uslovima bio veći kapacitet i za
klasične elektrane.
Slika 7.2. Ginori Conti 1904. godina Larderello
Naročito brzi razvoj geotermalne energija je doživjela u periodu „energetske krize“ 1973.
godine, jer su stope rasta instalisanih kapaciteta bile preko 10%, odnosno duplo više od stope
rasta konvencijalnih elektrana.
Mada je u svjetskim okvirima najinteresantnija primjena geotermalne energije za proizvodnju
električne energije, ili je skoro uvijek primarna, u mnogim zemljama poseban značaj ima
primjena geotermalne energije za centralizovano snabdijevanje toplotnom energijom,
pripremu potrošne tople vode, klimatizaciju, sušenje i ostale niskotemperaturne potrebe.
Geotermalni fluid koji omogućava ekonomičnu proizvodnju električne energije su dosta rijetki
i ograničeni, još uvijek, samo na pojedine oblasti. Međutim u čitavom nizu zemalja, kao i kod
nas, iz relativno plitkih ležišta ili prirodnih izvora, dobija se voda čija je temperatura između
30 - 100 ̊C, i koja se ekonomično može koristiti za različite niskotemperaturne potrebe. Samim
tim se znatno proširuje mogućnost primjene geotemalne energije sve do 30 ̊C (balneološke
potrebe, fermentacija, klimatizacija) pa čak i do 20 ̊C (ribnjaci).
63
nastala u 19. vijeku, pa je formirana jedna nova, u suštini specifična geološka nauka
„Geotermija“. Ova nauka se sve više i sve bolje bavila pomenutom problematikom, uključujući
i načinima istraživanja i korištenja izvora geotermalne energije.
Među naučnicima koji su se bavili geotermalnom problematikom pojavila se težnja da se
raspoloživi geotermalni potencijal koristi i primenjuje i u druge svrhe sem kupanja i
balneologije. Tako je u Larderellu (Toskana) ostvarena 1827. godine primjena geotermalnih
voda za proizvodnju borne kiseline. Ovaj događaj se smatra prvim energetskim korištenjem
geotermalnih voda. Prvi pokušaj korištenja vodene pare za dobijanje mehaničke energije
ostvaren je 1894., takođe u Larderellu, puštanjem u pogon parne mašine (7 kW).
Početkom 20-tog vijeka florentinski princ Ginori Conti osnovao je sopstvenu kompaniju za
korištenje pare iz prirodnih gejzira geotemalnog polja Larderello, slika 7.2, a 1904. godine
ostvarena prva eksperimentalna proizvodnja električne energije. Nekoliko godina kasnije,
tačnije 1913. godine instalirana je prva parna turbina snage 250 kW koja je pokretala
generator napona 4.000 V, da bi 1914. godine bila izgrađena prva geotermoelektrana (GTE) sa
tri turbogeneratora snage po 2.750 kW, što je u tadašnjim uslovima bio veći kapacitet i za
klasične elektrane.
Slika 7.2. Ginori Conti 1904. godina Larderello
Naročito brzi razvoj geotermalne energija je doživjela u periodu „energetske krize“ 1973.
godine, jer su stope rasta instalisanih kapaciteta bile preko 10%, odnosno duplo više od stope
rasta konvencijalnih elektrana.
Mada je u svjetskim okvirima najinteresantnija primjena geotermalne energije za proizvodnju
električne energije, ili je skoro uvijek primarna, u mnogim zemljama poseban značaj ima
primjena geotermalne energije za centralizovano snabdijevanje toplotnom energijom,
pripremu potrošne tople vode, klimatizaciju, sušenje i ostale niskotemperaturne potrebe.
Geotermalni fluid koji omogućava ekonomičnu proizvodnju električne energije su dosta rijetki
i ograničeni, još uvijek, samo na pojedine oblasti. Međutim u čitavom nizu zemalja, kao i kod
nas, iz relativno plitkih ležišta ili prirodnih izvora, dobija se voda čija je temperatura između
30 - 100 ̊C, i koja se ekonomično može koristiti za različite niskotemperaturne potrebe. Samim
tim se znatno proširuje mogućnost primjene geotemalne energije sve do 30 ̊C (balneološke
potrebe, fermentacija, klimatizacija) pa čak i do 20 ̊C (ribnjaci).
UVOD U ENERGETIKU
64
Ako su Italijani pioniri u industrijskoj primjeni i proizvodnji električne energije, Islanđani su prvi
počeli centralizovano snabdijevanje više potrošača toplotnom energijom na bazi geotermalne
energije. Prvi geotermalni toplofikacioni sistem (GTS) izgrađen je na Islandu 1930. godine za
snabdijevanje toplotnom energijom 70 zgrada sa otvorenim i zatvorenim plivačkim bazenom.
Ekonomičnost tog sistema pobudila je interes za intenzivnijim korištenjem geotermalne
energije za te svrhe, tako da danas u svijetu postoji preko 15.000 MW instalisanog kapaciteta
u više od 50 zemalja .
Japan je prvi započeo korištenje geotemalne energije u poljoprivredi, za zagrijavanje
staklenika još u dvadesetim godinama prošlog vijeka. Korištenje u poljoprivredi za potrebe
zimskih bašti i zagrijavanje tla se sve više razvija u mnogim zemljama. Pogodnost primjene u
poljoprivredi je u tome što se za te potrebe može koristiti termalna voda, čak i minimalnih
temperatura, odnosno, već energetski „iskorištena“ termalna voda. Do sada postignuti
rezultati su doprinijeli da se geotermalna energija sve više upotrebljava, jer omogućava
ekonomično povećanje prinosa poljoprivrednih kultura.
U posljednje vreme termalni fluidi se sve više kompleksno koriste, odnosno pored energetskih
potreba, i za dobijanje vrijednih mineralnih sirovina koje su rastvorene u termalnim fluidima.
Zato se sve više pored termalnih izvora grade postrojenja za estrakciju skupocjenih minerala i
metala. Takođe, geotermalna energija se sve više koristi i za dobijanje pitke vode i soli, čime
se proširuje njena ukupna korisnost.
7.2. POTENCIJALI I REZERVE GEOTERMALNE ENERGIJE
Pri definisanju potencijala, odnosno rezervi geotermalne energije u svijetu mora se voditi
računa da je ova grana energetike još uvijek nedovoljno istražena, tako da postoje različite
procjene tog potencijala, posebno imajući u vidu period kada su procjene izvršene.
Slika 7.3. Najperspektivnija područja geotermalne energije u svetu
Najbogatija područja geotermalne energije se nalaze u tzv. zoni vatrenog prstena koja se
prostire po zapadnom obodu Južne i Sjeverne Amerike, te istočnom obodu Azije, preko ostrva
Okeanije i istočno od Novog Zelanda. Kada je u pitanju direktna upotreba geotermalne
energije vodeće zemlje su: SAD (5.366 MW), Kina (2.814 MW) i Island (1.469 MW).
64
Ako su Italijani pioniri u industrijskoj primjeni i proizvodnji električne energije, Islanđani su prvi
počeli centralizovano snabdijevanje više potrošača toplotnom energijom na bazi geotermalne
energije. Prvi geotermalni toplofikacioni sistem (GTS) izgrađen je na Islandu 1930. godine za
snabdijevanje toplotnom energijom 70 zgrada sa otvorenim i zatvorenim plivačkim bazenom.
Ekonomičnost tog sistema pobudila je interes za intenzivnijim korištenjem geotermalne
energije za te svrhe, tako da danas u svijetu postoji preko 15.000 MW instalisanog kapaciteta
u više od 50 zemalja .
Japan je prvi započeo korištenje geotemalne energije u poljoprivredi, za zagrijavanje
staklenika još u dvadesetim godinama prošlog vijeka. Korištenje u poljoprivredi za potrebe
zimskih bašti i zagrijavanje tla se sve više razvija u mnogim zemljama. Pogodnost primjene u
poljoprivredi je u tome što se za te potrebe može koristiti termalna voda, čak i minimalnih
temperatura, odnosno, već energetski „iskorištena“ termalna voda. Do sada postignuti
rezultati su doprinijeli da se geotermalna energija sve više upotrebljava, jer omogućava
ekonomično povećanje prinosa poljoprivrednih kultura.
U posljednje vreme termalni fluidi se sve više kompleksno koriste, odnosno pored energetskih
potreba, i za dobijanje vrijednih mineralnih sirovina koje su rastvorene u termalnim fluidima.
Zato se sve više pored termalnih izvora grade postrojenja za estrakciju skupocjenih minerala i
metala. Takođe, geotermalna energija se sve više koristi i za dobijanje pitke vode i soli, čime
se proširuje njena ukupna korisnost.
7.2. POTENCIJALI I REZERVE GEOTERMALNE ENERGIJE
Pri definisanju potencijala, odnosno rezervi geotermalne energije u svijetu mora se voditi
računa da je ova grana energetike još uvijek nedovoljno istražena, tako da postoje različite
procjene tog potencijala, posebno imajući u vidu period kada su procjene izvršene.
Slika 7.3. Najperspektivnija područja geotermalne energije u svetu
Najbogatija područja geotermalne energije se nalaze u tzv. zoni vatrenog prstena koja se
prostire po zapadnom obodu Južne i Sjeverne Amerike, te istočnom obodu Azije, preko ostrva
Okeanije i istočno od Novog Zelanda. Kada je u pitanju direktna upotreba geotermalne
energije vodeće zemlje su: SAD (5.366 MW), Kina (2.814 MW) i Island (1.469 MW).
UVOD U ENERGETIKU
65
Ove zemlje pokrivaju 58% svjetskog kapaciteta, koji dostiže 16.649 MW, što je dovoljno za
snabdijevanje preko 3 miliona kuća. Od oko 60 zemalja koje direktno upotrebljavaju
geotermalnu energiju za proizvodnju toplotne energije, osim tri navedene, Turska, nekoliko
evropskih zemalja, Kanada, Japan i Novi Zeland imaju značajne kapacitete. Razvijene zemlje
svijeta kao i zemlje u razvoju sve više koriste geotermalnu energiju. Ukupno učešće
geotermalne energije u proizvodnji električne i toplotne energije u svijetu je svega 4%.
Međutim što se tiče proizvodnje električne struje iz obnovljivih izvora energije tu je ukupno
učešće geotermalne energije čak 86%.
Tabela 7.1. Proizvodnja geoelektrične energije u svijetu
Zemlja
Instalisana snaga geoter
.
centrala
Proizvodnja geoelektrične energije
Broj stanovnika
Potrošnja električne energije po stanovniku
Broj
s
tanovn
.
ko
ji se snabd
.
g
eoelektričn
.
energijom
Procenat stanovnika koji se snabd
.
G
eoelektričn
.
energijom
MW GWh/god Miliona kWh/god Miliona %
SAD 2.850 15.900 265,56 13.040 1,22 0,46
Filipini 1.848 8.260 71,90 423 19,53 27,20
Meksiko 743 5.730 96,58 1.439 3,98 4,10
Italija 742 5.470 57,47 4.610 1,19 2,10
Japan 530 3.350 125,86 7.749 0,43 0,34
Indonezija 528 3.980 197,10 298 13,36 6,80
N. Zeland 364 2.940 3,64 8.865 0,33 9,10
Salvador 105 550 5,80 527 1,04 17,90
Nikaragva 70 276 4,50 305 0,9 20,00
Kosta Rika 65 470 3,40 1.295 0,36 10,60
Island 51 346 0,27 17.353 0,02 7,40
Kenija 45 390 27,40 130 3,00 11,00
Kina 32 100 1.215,00 822 0,12 0,01
Turska 21 90 62,70 1.259 0,07 0,11
Rusija 11 30 147,70 5.114 0,01 0,01
Azori 8 42 0,25 788 0,05 20,00
Guadalup 4 21 0,41 800 0,03 7,30
Tajvan 3 - - 5.530 - -
Argentina 0,7 6 35,20 1.714 - -
Australija 0,4 3 18,29 9.047 - -
UKUPNO 7.953 47.967 2.370 - 45,70 1,90
65
Ove zemlje pokrivaju 58% svjetskog kapaciteta, koji dostiže 16.649 MW, što je dovoljno za
snabdijevanje preko 3 miliona kuća. Od oko 60 zemalja koje direktno upotrebljavaju
geotermalnu energiju za proizvodnju toplotne energije, osim tri navedene, Turska, nekoliko
evropskih zemalja, Kanada, Japan i Novi Zeland imaju značajne kapacitete. Razvijene zemlje
svijeta kao i zemlje u razvoju sve više koriste geotermalnu energiju. Ukupno učešće
geotermalne energije u proizvodnji električne i toplotne energije u svijetu je svega 4%.
Međutim što se tiče proizvodnje električne struje iz obnovljivih izvora energije tu je ukupno
učešće geotermalne energije čak 86%.
Tabela 7.1. Proizvodnja geoelektrične energije u svijetu
Zemlja
Instalisana snaga geoter
.
centrala
Proizvodnja geoelektrične energije
Broj stanovnika
Potrošnja električne energije po stanovniku
Broj
s
tanovn
.
ko
ji se snabd
.
g
eoelektričn
.
energijom
Procenat stanovnika koji se snabd
.
G
eoelektričn
.
energijom
MW GWh/god Miliona kWh/god Miliona %
SAD 2.850 15.900 265,56 13.040 1,22 0,46
Filipini 1.848 8.260 71,90 423 19,53 27,20
Meksiko 743 5.730 96,58 1.439 3,98 4,10
Italija 742 5.470 57,47 4.610 1,19 2,10
Japan 530 3.350 125,86 7.749 0,43 0,34
Indonezija 528 3.980 197,10 298 13,36 6,80
N. Zeland 364 2.940 3,64 8.865 0,33 9,10
Salvador 105 550 5,80 527 1,04 17,90
Nikaragva 70 276 4,50 305 0,9 20,00
Kosta Rika 65 470 3,40 1.295 0,36 10,60
Island 51 346 0,27 17.353 0,02 7,40
Kenija 45 390 27,40 130 3,00 11,00
Kina 32 100 1.215,00 822 0,12 0,01
Turska 21 90 62,70 1.259 0,07 0,11
Rusija 11 30 147,70 5.114 0,01 0,01
Azori 8 42 0,25 788 0,05 20,00
Guadalup 4 21 0,41 800 0,03 7,30
Tajvan 3 - - 5.530 - -
Argentina 0,7 6 35,20 1.714 - -
Australija 0,4 3 18,29 9.047 - -
UKUPNO 7.953 47.967 2.370 - 45,70 1,90
UVOD U ENERGETIKU
66
Savremene tehnologije primjene geotermalne energije znatno umanjuju troškove njene
eksploatacije, pa se samim tim i cijene krajnjih proizvoda snižavaju. Danas više od 20 zemalja
ima geotermalne elektrane. Oko 40 zemalja koristi izvore vrele vode i termalne banje, ali te
zemlje još nisu razgradile svoje potencijale geotermalnih rezervoara
Često se postavlja pitanje koliko sigurnim i dugovječnim se mogu smatrati potencijali
geotermalne energije, odnosno da li se ona može tretirati kao obnovljiv vid energije. Odgovor
na to pitanje može dati samo vrijeme i intezitet korištenja. Poznato je, na osnovu zapisa, da
postojeći termalni izvor u Italiji postoje već hiljadama godina i da pri intezivnoj eksploataciji
koja traje već skoro cijeli vijek nema većih promjena u kapacitetu i pritisku na ustima bušotina.
Slična je situacija i u oblasti Gejzira u SAD gdje se danas nalaze najveće geoteromoelektrane i
gdje se i pored intezivnog korištenja ne primjećuju promjene na prirodnim gejzirima. Kada se
tome dodaju i procjene ukupnog geotermalnog potencijala Zemlje, odnosno Zemljine kore,
vidi se da je taj potencijal toliko veliki da se u doglednoj budućnosti to pitanje ne postavlja.
Problemi mogu da nastanu na pojedinim lokalitetima ili pri veoma intezivnoj eksplaotaciji,
tako da je uvijek neophodno, slično kao i kod ležišta nafte i gasa, pratiti proizvodnju.
U državama gdje za to postoje prirodni uslovi postignuti su značajni rezultati u pogledu
korištenja geotermalne energije, dok se kod nas izuzev u djelimičnom korištenju termalnih
voda nije dalje otišlo. Iako je poznato da korištenje geotermalne toplote spada u red
„najčistijih“ tehnologija, zajedno sa korištenjem sunčeve energije, energije vjetra i hidro
resursa, time se ne umanjuje problem zagađenja čovjekove okoline od postrojenja koja
proizvode energiju na bazi konvencionalih resursa, budući da je učešće „čistih“ izvora u
pokrivanju svjetskih potreba, pa i kod nas, energiji neznačajno, bar u ovoj fazi razvoja. Prema
dosadašnjim istraživanjima ustanvoljeno je da cca 25% teritorije Bosne i Hercegovine se
smatra potencijalnim geotermalnim resursom trojakog oblika: hidrotermalni sistemi
geopresirane zone i tople suhe stijene. Ova područja pokrivaju centralni i sjeverni dio Bosne i
Hercegovine tj. tektonske linije Zvornik-Doboj- Bosanski Novi- Ilidža-Busovača. Od pomenuta
3 oblika resursa najveću pažnju privlače hidrotermalni sistemi, jer je njihova eksploatacija
najrazvijenija i najjeftinija u odnosu na ostala 2 oblika. Prema dostupnim podacima, ne postoje
izgledi da se na bazi geotermalnih resursa dobije električna energija, te postoji mogućnost
korištenja njihove toplote u druge svrhe (poljopriveda, medicina, komunalna oblast i dr.),
računajući pri tome da se kao eksploatacioni objekti koriste bušeni bunari do dubine 3,5 km.
Pošto se ne predlaže korištenje hidrotermalnih izvora za dobivanje električne energije, i radius
negativnog dejstva na okolinu u samom je okruženju izvorišta. Ukoliko se primjenjuju
recirkulacioni sistemi, što znači da se upotrijebljena termalna voda vraća ponovo u
hidrogeološki medij, tada se negativan uticaj svodi na najmanju moguću mjeru. Negativne
manifestacije koje se najčešće javljaju pri korištenju hidrotermalnih sistema su tečni, gasoviti
i čvrsti otpadni materijali (ako postoji konverzija toplotne u električnu energiju), čiji tretman
se mora izvršiti, u protivnom može doći do zagađenja tla, zraka i vode u neposrednoj okolini
tehnološkog postrojenja. Česta pojava je i slijeganje i deformacije površine terena, naročito
ako je korištenje fluida nekontrolisano, što je povezano sa seizmičkom aktivnošću ako se
eksploatišu dublji horizonti u kojima fluid ima u stanju dinamičke ravnoteže svoju funkciju u
vezi s osnovnim medijem.
66
Savremene tehnologije primjene geotermalne energije znatno umanjuju troškove njene
eksploatacije, pa se samim tim i cijene krajnjih proizvoda snižavaju. Danas više od 20 zemalja
ima geotermalne elektrane. Oko 40 zemalja koristi izvore vrele vode i termalne banje, ali te
zemlje još nisu razgradile svoje potencijale geotermalnih rezervoara
Često se postavlja pitanje koliko sigurnim i dugovječnim se mogu smatrati potencijali
geotermalne energije, odnosno da li se ona može tretirati kao obnovljiv vid energije. Odgovor
na to pitanje može dati samo vrijeme i intezitet korištenja. Poznato je, na osnovu zapisa, da
postojeći termalni izvor u Italiji postoje već hiljadama godina i da pri intezivnoj eksploataciji
koja traje već skoro cijeli vijek nema većih promjena u kapacitetu i pritisku na ustima bušotina.
Slična je situacija i u oblasti Gejzira u SAD gdje se danas nalaze najveće geoteromoelektrane i
gdje se i pored intezivnog korištenja ne primjećuju promjene na prirodnim gejzirima. Kada se
tome dodaju i procjene ukupnog geotermalnog potencijala Zemlje, odnosno Zemljine kore,
vidi se da je taj potencijal toliko veliki da se u doglednoj budućnosti to pitanje ne postavlja.
Problemi mogu da nastanu na pojedinim lokalitetima ili pri veoma intezivnoj eksplaotaciji,
tako da je uvijek neophodno, slično kao i kod ležišta nafte i gasa, pratiti proizvodnju.
U državama gdje za to postoje prirodni uslovi postignuti su značajni rezultati u pogledu
korištenja geotermalne energije, dok se kod nas izuzev u djelimičnom korištenju termalnih
voda nije dalje otišlo. Iako je poznato da korištenje geotermalne toplote spada u red
„najčistijih“ tehnologija, zajedno sa korištenjem sunčeve energije, energije vjetra i hidro
resursa, time se ne umanjuje problem zagađenja čovjekove okoline od postrojenja koja
proizvode energiju na bazi konvencionalih resursa, budući da je učešće „čistih“ izvora u
pokrivanju svjetskih potreba, pa i kod nas, energiji neznačajno, bar u ovoj fazi razvoja. Prema
dosadašnjim istraživanjima ustanvoljeno je da cca 25% teritorije Bosne i Hercegovine se
smatra potencijalnim geotermalnim resursom trojakog oblika: hidrotermalni sistemi
geopresirane zone i tople suhe stijene. Ova područja pokrivaju centralni i sjeverni dio Bosne i
Hercegovine tj. tektonske linije Zvornik-Doboj- Bosanski Novi- Ilidža-Busovača. Od pomenuta
3 oblika resursa najveću pažnju privlače hidrotermalni sistemi, jer je njihova eksploatacija
najrazvijenija i najjeftinija u odnosu na ostala 2 oblika. Prema dostupnim podacima, ne postoje
izgledi da se na bazi geotermalnih resursa dobije električna energija, te postoji mogućnost
korištenja njihove toplote u druge svrhe (poljopriveda, medicina, komunalna oblast i dr.),
računajući pri tome da se kao eksploatacioni objekti koriste bušeni bunari do dubine 3,5 km.
Pošto se ne predlaže korištenje hidrotermalnih izvora za dobivanje električne energije, i radius
negativnog dejstva na okolinu u samom je okruženju izvorišta. Ukoliko se primjenjuju
recirkulacioni sistemi, što znači da se upotrijebljena termalna voda vraća ponovo u
hidrogeološki medij, tada se negativan uticaj svodi na najmanju moguću mjeru. Negativne
manifestacije koje se najčešće javljaju pri korištenju hidrotermalnih sistema su tečni, gasoviti
i čvrsti otpadni materijali (ako postoji konverzija toplotne u električnu energiju), čiji tretman
se mora izvršiti, u protivnom može doći do zagađenja tla, zraka i vode u neposrednoj okolini
tehnološkog postrojenja. Česta pojava je i slijeganje i deformacije površine terena, naročito
ako je korištenje fluida nekontrolisano, što je povezano sa seizmičkom aktivnošću ako se
eksploatišu dublji horizonti u kojima fluid ima u stanju dinamičke ravnoteže svoju funkciju u
vezi s osnovnim medijem.
UVOD U ENERGETIKU
67
7.3. PRINCIP TEHNOLOGIJE ISKORIŠTENJA GEOTERMALNE ENERGIJE
Osnovni faktori koji utiču na izbor sistema za korištenje geotermalne energije su:
• izdašnost geotermalnog izvora,
• temperatura,
• pritisak fluida,
• fizičko-hemijski sastav fluida.
Geotermalna energija se danas uglavnom koristi za različite niskotemperaturne procese kao
što su: grijanje stambenih i poslovnih objekata, priprema potrošnje tople vode, klimatizacija,
zagrijavanje tla i vazduha u stakleniku, sušenje poljoprivrednih proizvoda, grijanje otvorenih i
zatvorenih bazena itd.
U slučajevima kada su pritisak i temperatura geotermalnog fluida dovoljno visoki moguća je
proizvodnja električne energije, ili njegovo korištenje za procese uparavanja, destilacije,
sušenja, proizvodnju papira itd. Danas u svijetu postoji čitav niz razrađenih i izvedenih sistema
sa ciljem da se geotermalna energija iskoristi što racionalnije, ali svi ovi sistemi mogu da se
svrstaju u dva osnovna sistema: za korištenje toplotne energije i za proizvodnju električne
energije, međutim, treba imati u vidu da svako rješenje zavisi od konkretnih karakteristika
geotermalnog izvora, radnih uslova potrošača i tehnoekonomskih mogućnosti investitora, pa
zbog toga svaki konkretan slučaj mora da se rješava kao problem za sebe.
Geotermalni resursi imaju temperaturu između 50-350
o
C, i mogu biti kao pregrijana para,
mješavina pare i vode ili kao tečnost. Da bi se koristila energija zemlje, voda je prenosni
medijum. Takva voda prirodno postoji na mnogo mjesta ali je tek skoro razvijena tehnologija
za njeno korištenje. Ekstenzivniji prikaz uobičajenih oblasti primjene, zavisno od temperature
izvora i stanja fluida na izvorištu, daje se sljedećim pregledom u tabeli:
Tabela 7.2. Oblast primjene u zavisnosti od temperature fluida
Temperatura Fluid Korištenje Uobičajena tehnologija
visoka > 220
o
C Para, ili
Tečnost
Proizvodnja struje
Direktno korištenje
• Flash Steam postrojenja
• Kombinovani (Flash i Dualni) ciklusi
• Direktno korištenje fluida
• Toplotni razmjenjivači
• Toplotne pumpe
srednja 100 - 220
o
C Tečnost Proizvodnja struje
Direktno korištenje
• Dualni (tzv. Binarni) ciklusi
• Direktno korištenje fluida
• Toplotni razmjenjivači
• Toplotne pumpe
niska 50 - 150
o
C Tečnost Direktno korištenje • Direktno korištenje fluida
• Toplotni razmjenjivači
• Toplotne pumpe
7.3.1. Sistemi za proizvodnju električne energije
Jedan od najzanimljivijih oblika iskorištavanja geotermalne energije je proizvodnja električne
energije. Tu se vruća voda i para iz Zemlje koriste za pokretanje generatora, pa prema tome
nema spaljivanja fosilnih goriva i kao rezultat toga nema ni štetnih emisija gasova u atmosferu,
67
7.3. PRINCIP TEHNOLOGIJE ISKORIŠTENJA GEOTERMALNE ENERGIJE
Osnovni faktori koji utiču na izbor sistema za korištenje geotermalne energije su:
• izdašnost geotermalnog izvora,
• temperatura,
• pritisak fluida,
• fizičko-hemijski sastav fluida.
Geotermalna energija se danas uglavnom koristi za različite niskotemperaturne procese kao
što su: grijanje stambenih i poslovnih objekata, priprema potrošnje tople vode, klimatizacija,
zagrijavanje tla i vazduha u stakleniku, sušenje poljoprivrednih proizvoda, grijanje otvorenih i
zatvorenih bazena itd.
U slučajevima kada su pritisak i temperatura geotermalnog fluida dovoljno visoki moguća je
proizvodnja električne energije, ili njegovo korištenje za procese uparavanja, destilacije,
sušenja, proizvodnju papira itd. Danas u svijetu postoji čitav niz razrađenih i izvedenih sistema
sa ciljem da se geotermalna energija iskoristi što racionalnije, ali svi ovi sistemi mogu da se
svrstaju u dva osnovna sistema: za korištenje toplotne energije i za proizvodnju električne
energije, međutim, treba imati u vidu da svako rješenje zavisi od konkretnih karakteristika
geotermalnog izvora, radnih uslova potrošača i tehnoekonomskih mogućnosti investitora, pa
zbog toga svaki konkretan slučaj mora da se rješava kao problem za sebe.
Geotermalni resursi imaju temperaturu između 50-350
o
C, i mogu biti kao pregrijana para,
mješavina pare i vode ili kao tečnost. Da bi se koristila energija zemlje, voda je prenosni
medijum. Takva voda prirodno postoji na mnogo mjesta ali je tek skoro razvijena tehnologija
za njeno korištenje. Ekstenzivniji prikaz uobičajenih oblasti primjene, zavisno od temperature
izvora i stanja fluida na izvorištu, daje se sljedećim pregledom u tabeli:
Tabela 7.2. Oblast primjene u zavisnosti od temperature fluida
Temperatura Fluid Korištenje Uobičajena tehnologija
visoka > 220
o
C Para, ili
Tečnost
Proizvodnja struje
Direktno korištenje
• Flash Steam postrojenja
• Kombinovani (Flash i Dualni) ciklusi
• Direktno korištenje fluida
• Toplotni razmjenjivači
• Toplotne pumpe
srednja 100 - 220
o
C Tečnost Proizvodnja struje
Direktno korištenje
• Dualni (tzv. Binarni) ciklusi
• Direktno korištenje fluida
• Toplotni razmjenjivači
• Toplotne pumpe
niska 50 - 150
o
C Tečnost Direktno korištenje • Direktno korištenje fluida
• Toplotni razmjenjivači
• Toplotne pumpe
7.3.1. Sistemi za proizvodnju električne energije
Jedan od najzanimljivijih oblika iskorištavanja geotermalne energije je proizvodnja električne
energije. Tu se vruća voda i para iz Zemlje koriste za pokretanje generatora, pa prema tome
nema spaljivanja fosilnih goriva i kao rezultat toga nema ni štetnih emisija gasova u atmosferu,
UVOD U ENERGETIKU
68
ispušta se samo vodena para. Dodatna prednost je u tome što se takve elektrane mogu
implementirati u najrazličitijim prirodnim okruženjima. Princip rada je jednostavan: hladna
voda upumpava se na vruće granitne stijene koje se nalaze blizu površine, a napolje izlazi vruća
para na temperaturi iznad 200 °C pod visokim pritiskom, ta para, preko turbina, onda pokreće
generatore. Trenutno se koriste tri osnovna principa:
• Princip suhe pare (Dry steam) – koristi se iznimno vruća para, tipično iznad 235 °C. Ta para
se koristi za direktno pokretanje turbina generatora. Ovo je najjednostavniji i najstariji
princip i još uvijek se koristi jer je to daleko najjeftiniji princip proizvodnje električne
energije iz geotermalnih izvora.
Slika 7.4. Prosta šema principa suhe pare.
• Princip separatisanja pare (Flash steam) – koristi se vruća voda iz geotermalnih rezervoara
koja je pod velikim pritiskom i na temperaturama iznad 182 °C. Pumpanjem vode iz tih
rezervoara prema elektrani na površini smanjuje se pritisak, pa se vruća voda pretvara u
paru i pokreće turbine. Voda koja se nije pretvorila u paru vraća se nazad u rezervoar zbog
ponovne upotrebe. Većina modernih geotermalnih elektrana koristi ovaj princip rada.
Slika 7.5. Prosta šema separiranja pare.
• Binarni princip (Binary cycle) – Voda koja se koristi i kod binarnog principa je hladnija od
vode koja se koristi kod ostalih principa proizvodnje električne energije iz geotermalnih
izvora. Kod binarnog principa vruća voda se koristi za grijanje fluida koji ima znatno nižu
temperaturu ključanja od vode, a taj fluid isparava na temperaturi vruće vode i pokreće
turbine generatora. Prednost tog principa je veća efikasnost postupka, a i dostupnost
potrebnih geotermalnih rezervoara je puno veća nego kod ostalih postupaka.
68
ispušta se samo vodena para. Dodatna prednost je u tome što se takve elektrane mogu
implementirati u najrazličitijim prirodnim okruženjima. Princip rada je jednostavan: hladna
voda upumpava se na vruće granitne stijene koje se nalaze blizu površine, a napolje izlazi vruća
para na temperaturi iznad 200 °C pod visokim pritiskom, ta para, preko turbina, onda pokreće
generatore. Trenutno se koriste tri osnovna principa:
• Princip suhe pare (Dry steam) – koristi se iznimno vruća para, tipično iznad 235 °C. Ta para
se koristi za direktno pokretanje turbina generatora. Ovo je najjednostavniji i najstariji
princip i još uvijek se koristi jer je to daleko najjeftiniji princip proizvodnje električne
energije iz geotermalnih izvora.
Slika 7.4. Prosta šema principa suhe pare.
• Princip separatisanja pare (Flash steam) – koristi se vruća voda iz geotermalnih rezervoara
koja je pod velikim pritiskom i na temperaturama iznad 182 °C. Pumpanjem vode iz tih
rezervoara prema elektrani na površini smanjuje se pritisak, pa se vruća voda pretvara u
paru i pokreće turbine. Voda koja se nije pretvorila u paru vraća se nazad u rezervoar zbog
ponovne upotrebe. Većina modernih geotermalnih elektrana koristi ovaj princip rada.
Slika 7.5. Prosta šema separiranja pare.
• Binarni princip (Binary cycle) – Voda koja se koristi i kod binarnog principa je hladnija od
vode koja se koristi kod ostalih principa proizvodnje električne energije iz geotermalnih
izvora. Kod binarnog principa vruća voda se koristi za grijanje fluida koji ima znatno nižu
temperaturu ključanja od vode, a taj fluid isparava na temperaturi vruće vode i pokreće
turbine generatora. Prednost tog principa je veća efikasnost postupka, a i dostupnost
potrebnih geotermalnih rezervoara je puno veća nego kod ostalih postupaka.
UVOD U ENERGETIKU
69
Dodatna prednost je potpuna zatvorenost sistema budući da se upotrijebljena voda vraća
nazad u rezervoar pa je gubitak toplote smanjen, a gotovo da i nema gubitka vode. Većina
planiranih novih geotermalnih elektrana koristi će ovaj princip.
Slika 7.6. Prosta sema binarnog principa.
Princip koji će se koristiti zavisi od vrste geotermalnog izvora energije, tj. o temperaturi, dubini
i kvalitetu vode i pare u odabranoj regiji. U svim slučajevima kondezovana para i ostaci
geotermalnog fluida se vraća nazad u bušotinu i time se povećava izdržljivost geotermalnog
izvora. Procjenjuje se da je potencijalna proizvodnja električne energije u geotermalnim
elektranama ovih tipova varira od 35 do 2.000 GW. Danas se širom svijeta ovim putem
proizvodi 10.715 MW, a emisija CO2 je samo 122 kg po MWh električne energije, što
predstavlja 1/8 konvencionalne termoelektrane na ugalj.
7.4. PRIMJERI PRIMJENE GEOTERMALNE ENERGIJE
Kao primjere primjene geotermalne energije, spomenuti ćemo par primjera geotermalnih
elektrana u svijetu:
„Old Faithful“ je poznati gejzir koji se nalazi u oblasti Nacionalnog Parka „Yellowstone“,
Wayoming (SAD). Park se nalazi na području velike geotermalne aktivnosti. Old Faithful
zapravo je jedan od preko 300 gejzira u Yellowstonu. Eruptira na svakih sat i po vremena. Kada
eruptira izbacuje mlaz vrele vode u vazduh do visine od 56 m. Ta voda je veoma visoke
temperature od 93 C .
„Larderello“ je prva i najveća geotermalna elektrana u Evropi, nalazi se u Italiji. Krajem 18.
vijeka u Italiji se na Larderello polju pomoću pare iz geotermalnih izvora izdvajala borna
kiselina. 1904. godine Prince Piero Ginori Conti počeo je da koristi paru za pogon male turbine,
te time omogućio rad 4 električne sijalice, što je ujedno bila i prva upotreba geotermalne
energije u proizvodnji električne energije.
Nekoliko godina kasnije prva geotermalna elektrana otvorena je u „Devil’s Valley“, što znači
đavolja dolina. Narednih 50 godina, koristila se samo geotermalna energija iz te geotermalne
elektrane. Proizvodnja energije je nastavljena sve do danas, alli nije toliko produktivna kao što
je bila. 2003. godine naučnici su konstatovali da su rezerve ispod zemlje opale za 30% od 1950.
godine. Ipak, još uvijek milioni domova dobijaju električnu energiju od Larderello geotermalne
elektrane .
69
Dodatna prednost je potpuna zatvorenost sistema budući da se upotrijebljena voda vraća
nazad u rezervoar pa je gubitak toplote smanjen, a gotovo da i nema gubitka vode. Većina
planiranih novih geotermalnih elektrana koristi će ovaj princip.
Slika 7.6. Prosta sema binarnog principa.
Princip koji će se koristiti zavisi od vrste geotermalnog izvora energije, tj. o temperaturi, dubini
i kvalitetu vode i pare u odabranoj regiji. U svim slučajevima kondezovana para i ostaci
geotermalnog fluida se vraća nazad u bušotinu i time se povećava izdržljivost geotermalnog
izvora. Procjenjuje se da je potencijalna proizvodnja električne energije u geotermalnim
elektranama ovih tipova varira od 35 do 2.000 GW. Danas se širom svijeta ovim putem
proizvodi 10.715 MW, a emisija CO2 je samo 122 kg po MWh električne energije, što
predstavlja 1/8 konvencionalne termoelektrane na ugalj.
7.4. PRIMJERI PRIMJENE GEOTERMALNE ENERGIJE
Kao primjere primjene geotermalne energije, spomenuti ćemo par primjera geotermalnih
elektrana u svijetu:
„Old Faithful“ je poznati gejzir koji se nalazi u oblasti Nacionalnog Parka „Yellowstone“,
Wayoming (SAD). Park se nalazi na području velike geotermalne aktivnosti. Old Faithful
zapravo je jedan od preko 300 gejzira u Yellowstonu. Eruptira na svakih sat i po vremena. Kada
eruptira izbacuje mlaz vrele vode u vazduh do visine od 56 m. Ta voda je veoma visoke
temperature od 93 C .
„Larderello“ je prva i najveća geotermalna elektrana u Evropi, nalazi se u Italiji. Krajem 18.
vijeka u Italiji se na Larderello polju pomoću pare iz geotermalnih izvora izdvajala borna
kiselina. 1904. godine Prince Piero Ginori Conti počeo je da koristi paru za pogon male turbine,
te time omogućio rad 4 električne sijalice, što je ujedno bila i prva upotreba geotermalne
energije u proizvodnji električne energije.
Nekoliko godina kasnije prva geotermalna elektrana otvorena je u „Devil’s Valley“, što znači
đavolja dolina. Narednih 50 godina, koristila se samo geotermalna energija iz te geotermalne
elektrane. Proizvodnja energije je nastavljena sve do danas, alli nije toliko produktivna kao što
je bila. 2003. godine naučnici su konstatovali da su rezerve ispod zemlje opale za 30% od 1950.
godine. Ipak, još uvijek milioni domova dobijaju električnu energiju od Larderello geotermalne
elektrane .
UVOD U ENERGETIKU
70
Slika 7.7. Geotermalne elektrane, Larderello u sjevernoj Italiji
“Malitbog” je trenutno najveća samostalna geotermalna elektrana na svijetu. Nalazi se na
Filipinima, u provinciji Malitbog. Instalirana snaga te elektrane je 232,5 MW. Inače u okolici
tog postrojenja ima još 8 geotermalnih elektrana, tako da su Filipini trenutno drugi u svijetu
po proizvodnji geotermalne energije. Najnovija istraživanja su pokazala da 27% električne
energije na Filipinima potječe od geotermalnih izvora.
7.5. UTICAJ NA ŽIVOTNU SREDINU
Razvoj primarne i sekundarne energije doprinosi sve većem zagađenju životne sredine. Zaštita
životne sredine na današnjem stepenu razvoja, kako u razvijenim, tako i u zemljama u razvoju,
postala je neophodna, jer su zbog intezivnog razvoja energetike uticaji na nju sve složeniji.
Geotermalna energija, kao i ostali obnovljivi izvori energije, ima relativno mali uticaj na
zagađenje životne sredine, pri vođenju svih mjera zaštite. Samim tim, njena važnost će u
budućnosti sve više rasti, jer neće biti potrebno da se predviđaju dodatne mjere zaštite, koje
povećavaju investicione i eksploatacione troškove, tako da će vrlo brzo njena specifična cijena
energije biti konkurentna konvencionalnim gorivima u znatno širem obimu primjene.
Geotermalna energija ima specifičnost u odnosu na konvencionalna goriva, jer sve djelatnosti
vezane za dobijanje i korištenje geotermalne energije su usmjerene na jednu relativno
ograničenu oblast, u neposrednoj blizini potrošača. Ne postoje kao kod konvencionalnih goriva
postrojenja i instalacije za cijeli energetski ciklus počev od dobijanja energetske sirovine, njene
pripreme, prerade i transporta, do udaljene energane ili neke druge energetske instalacije.
Geotermalna energija je trenutno jedan od najčistijih oblika energije koji se koristi u
komercijalne svrhe. Upotrebom geotermalne energije se izbjegavaju problemi kiselih kiša, i u
velikoj meri se smanjuju emisije gasova koji prouzrokuju efekat staklene bašte, kao i drugi
oblici zagađenja vazduha.
7.5.1. Ekološki uticaj na tlo
Pri analizi uticaja na tlo mora se poći od toga da se geotermalno polje može pronaći kako u
gusto naseljenim područjima, tako isto i van naselja, na poljoprivrednom ili drugom zemljištu,
pri čemu izgradnja bušotina, cjevovoda i lokalnih energetskih instalacija doprinosi promjeni
izgleda mjesta. Mjesto na kome se vrše bušenja, dok traje izrada bušotine, je zauzeto
dizaličnim postrojenjem sa odgovarajućim rezervoarima za isplaku, instalacijama i mašinama,
slično kao i kod izrade naftnih bušotina. Najveći problem je buka, a postoji uvijek mogućnost
da dođe do havarije i nekontrolisane erupcije. Uticaj na zemljište i okolinu je najprimjetniji u
70
Slika 7.7. Geotermalne elektrane, Larderello u sjevernoj Italiji
“Malitbog” je trenutno najveća samostalna geotermalna elektrana na svijetu. Nalazi se na
Filipinima, u provinciji Malitbog. Instalirana snaga te elektrane je 232,5 MW. Inače u okolici
tog postrojenja ima još 8 geotermalnih elektrana, tako da su Filipini trenutno drugi u svijetu
po proizvodnji geotermalne energije. Najnovija istraživanja su pokazala da 27% električne
energije na Filipinima potječe od geotermalnih izvora.
7.5. UTICAJ NA ŽIVOTNU SREDINU
Razvoj primarne i sekundarne energije doprinosi sve većem zagađenju životne sredine. Zaštita
životne sredine na današnjem stepenu razvoja, kako u razvijenim, tako i u zemljama u razvoju,
postala je neophodna, jer su zbog intezivnog razvoja energetike uticaji na nju sve složeniji.
Geotermalna energija, kao i ostali obnovljivi izvori energije, ima relativno mali uticaj na
zagađenje životne sredine, pri vođenju svih mjera zaštite. Samim tim, njena važnost će u
budućnosti sve više rasti, jer neće biti potrebno da se predviđaju dodatne mjere zaštite, koje
povećavaju investicione i eksploatacione troškove, tako da će vrlo brzo njena specifična cijena
energije biti konkurentna konvencionalnim gorivima u znatno širem obimu primjene.
Geotermalna energija ima specifičnost u odnosu na konvencionalna goriva, jer sve djelatnosti
vezane za dobijanje i korištenje geotermalne energije su usmjerene na jednu relativno
ograničenu oblast, u neposrednoj blizini potrošača. Ne postoje kao kod konvencionalnih goriva
postrojenja i instalacije za cijeli energetski ciklus počev od dobijanja energetske sirovine, njene
pripreme, prerade i transporta, do udaljene energane ili neke druge energetske instalacije.
Geotermalna energija je trenutno jedan od najčistijih oblika energije koji se koristi u
komercijalne svrhe. Upotrebom geotermalne energije se izbjegavaju problemi kiselih kiša, i u
velikoj meri se smanjuju emisije gasova koji prouzrokuju efekat staklene bašte, kao i drugi
oblici zagađenja vazduha.
7.5.1. Ekološki uticaj na tlo
Pri analizi uticaja na tlo mora se poći od toga da se geotermalno polje može pronaći kako u
gusto naseljenim područjima, tako isto i van naselja, na poljoprivrednom ili drugom zemljištu,
pri čemu izgradnja bušotina, cjevovoda i lokalnih energetskih instalacija doprinosi promjeni
izgleda mjesta. Mjesto na kome se vrše bušenja, dok traje izrada bušotine, je zauzeto
dizaličnim postrojenjem sa odgovarajućim rezervoarima za isplaku, instalacijama i mašinama,
slično kao i kod izrade naftnih bušotina. Najveći problem je buka, a postoji uvijek mogućnost
da dođe do havarije i nekontrolisane erupcije. Uticaj na zemljište i okolinu je najprimjetniji u
UVOD U ENERGETIKU
71
periodu izvođenja radova, a to u slučaju većih geotermalnih polja može trajati i više godina.
Nakon puštanja bušotina u normalan rad, lokalitet se vraća u ranije stanje, s tim što ostaje
vizuelan uticaj nadzemne opreme i neophodnih cjevovoda do potrošača. Imajući u vidu da je
za intenzivnije korištenje geotermalne energije potrebno veći broj bušotina, to može ozbiljno
narušiti vizuelni izgled i promjenu namjene lokaliteta. Tako se u Italiji na geotermalnim
poljima, na površini od oko 45 km
2
nalazi izbušeno oko 360 bušotina, odnosno u prosjeku oko
8 bušotina po km
2
, dok se na području Velikih Gejzira u SAD na površini od oko 19 km
2
, nalazi
oko 150 bušotina. Kada se tome dodaju nadzemni parovod ili toplovodi, vidi se da je zauzeto
dosta prostora. Međutim dosadašnje iskustvo na mnogim geotermalnim poljima pokazuje da
je nezauzeto zemljište na geotermalnim poljima moguće i dalje koristiti za iste namjene kao i
prije korištenja geotermalne energije.
7.5.2. Ekološki uticaj na atmosferu
Sva energetska postrojenja zagađuju atmosferu sa otpadnim gasovima i otpadnom toplotom.
Kod geotermoelektrane ili geotoplane nema sagorijevanja goriva, pa je ispuštena količina
gasova znatno manja i sasvim drugog sastava u poređenju sa otpadnim gasovima dobijenim
sagorijevanjem konvencionalnog goriva. Termalni fluidi mogu na površinu sa sobom iznositi
određene količine prirodnog gasa i/ili rastvorenih gasova kao što su ugljendioksid, metan,
vodonik, sumpovodonik, azot idr. Najveći problem su jedinjenja sumpora. Sumporni oksidi
utiču štetno na čovjeka, životinje i vegetaciju. Za čovjeka je naročito štetna kombinacija
sumpornih oksida sa dimom i vlagom, poznata kao smog. Kako su kod geotermalnih fluida
prisutne relativno male količine sumpornih oksida, nema azotovih oksida, čađi i pepela,
problem je znatno manji nego kod konvencionalnih termoelektrana kod kojih otpadni gasovi
sadrže čađ, pepeo, okside ugljenika, azota, sumpora i neke druge sastojke. Zbog karakteristika
termalnih nosioca toplote nižih temperatura i pritisaka i manjih stepena iskorištenja ciklusa,
kod geotermoelektrane se zahtijevaju znatno veće količine vode za hlađenje nego što je to
slučaj kod klasičnih termoelektrana (za elektranu snage 100 MW na prirodnoj pari potrebno
je od 11 do 13 miliona m
3
/dan, dok je kod klasične termoelektrane je potrebno od 5,6 do 7,5
miliona m
3
/dan). Imajući u vidu da su geotermoelektrane najčešće dio kompleksnog sistema
korištenja geotermalne energije i da se otpadna toplota može dalje koristiti za različite
namjene, problemi su u osnovi znatno manji. Slična situacija je i kod korištenja termalnih fluida
kao nosioca toplote u odnosu na klasične toplotne instalacije. I ovde nema sagorijevanja,
temperatura fluida, pa samim tim i mineralizacija i sastav rastvorenih gasova je mali, te su
uticaji na atmosferu zanemarljivi.
7.5.3. Ostali ekološki uticaji
Izgled geotermalne instalacije može da naruši estetske vrijednosti prostora, kao i da utiče na
samo korištenje prostora. Pošto ti objekti remete prirodnu vizuru, instalacija mora svojim
oblikom biti prilagođena okolini. Uticaj geotermalnih instalacija na upotrebu prostora u okolini
lokacije izražava se u promjenama privrednih aktivnosti i socijalne strukture stanovništva. Ovi
uticaji se posebno izražavaju kroz infrastrukture za potrebe instalacije, gradnju objekata,
komunikacija i dr. u njenoj okolini. U normalnom pogonu geotermalna instalacija ne proizvodi
veću buku, a primjenjena oprema se može smjestiti i u neposrednoj blizini potrošača ili
stambenih i javnih objekata, uz vođenje računa o svim preventivnim mjerama da ne dođe do
nekontrolisanog isticanja termalnih fluida. Buka nastaje prilikom istraživačkog bušenja i tokom
konstrukcionih faza i kreće se od 45 do 120 dB. Pošto geotermalne instalacije koriste energiju
dobijenu iz „podzemnog kotla“ u neposrednoj blizini, nepotrebni su procesi kopanja
71
periodu izvođenja radova, a to u slučaju većih geotermalnih polja može trajati i više godina.
Nakon puštanja bušotina u normalan rad, lokalitet se vraća u ranije stanje, s tim što ostaje
vizuelan uticaj nadzemne opreme i neophodnih cjevovoda do potrošača. Imajući u vidu da je
za intenzivnije korištenje geotermalne energije potrebno veći broj bušotina, to može ozbiljno
narušiti vizuelni izgled i promjenu namjene lokaliteta. Tako se u Italiji na geotermalnim
poljima, na površini od oko 45 km
2
nalazi izbušeno oko 360 bušotina, odnosno u prosjeku oko
8 bušotina po km
2
, dok se na području Velikih Gejzira u SAD na površini od oko 19 km
2
, nalazi
oko 150 bušotina. Kada se tome dodaju nadzemni parovod ili toplovodi, vidi se da je zauzeto
dosta prostora. Međutim dosadašnje iskustvo na mnogim geotermalnim poljima pokazuje da
je nezauzeto zemljište na geotermalnim poljima moguće i dalje koristiti za iste namjene kao i
prije korištenja geotermalne energije.
7.5.2. Ekološki uticaj na atmosferu
Sva energetska postrojenja zagađuju atmosferu sa otpadnim gasovima i otpadnom toplotom.
Kod geotermoelektrane ili geotoplane nema sagorijevanja goriva, pa je ispuštena količina
gasova znatno manja i sasvim drugog sastava u poređenju sa otpadnim gasovima dobijenim
sagorijevanjem konvencionalnog goriva. Termalni fluidi mogu na površinu sa sobom iznositi
određene količine prirodnog gasa i/ili rastvorenih gasova kao što su ugljendioksid, metan,
vodonik, sumpovodonik, azot idr. Najveći problem su jedinjenja sumpora. Sumporni oksidi
utiču štetno na čovjeka, životinje i vegetaciju. Za čovjeka je naročito štetna kombinacija
sumpornih oksida sa dimom i vlagom, poznata kao smog. Kako su kod geotermalnih fluida
prisutne relativno male količine sumpornih oksida, nema azotovih oksida, čađi i pepela,
problem je znatno manji nego kod konvencionalnih termoelektrana kod kojih otpadni gasovi
sadrže čađ, pepeo, okside ugljenika, azota, sumpora i neke druge sastojke. Zbog karakteristika
termalnih nosioca toplote nižih temperatura i pritisaka i manjih stepena iskorištenja ciklusa,
kod geotermoelektrane se zahtijevaju znatno veće količine vode za hlađenje nego što je to
slučaj kod klasičnih termoelektrana (za elektranu snage 100 MW na prirodnoj pari potrebno
je od 11 do 13 miliona m
3
/dan, dok je kod klasične termoelektrane je potrebno od 5,6 do 7,5
miliona m
3
/dan). Imajući u vidu da su geotermoelektrane najčešće dio kompleksnog sistema
korištenja geotermalne energije i da se otpadna toplota može dalje koristiti za različite
namjene, problemi su u osnovi znatno manji. Slična situacija je i kod korištenja termalnih fluida
kao nosioca toplote u odnosu na klasične toplotne instalacije. I ovde nema sagorijevanja,
temperatura fluida, pa samim tim i mineralizacija i sastav rastvorenih gasova je mali, te su
uticaji na atmosferu zanemarljivi.
7.5.3. Ostali ekološki uticaji
Izgled geotermalne instalacije može da naruši estetske vrijednosti prostora, kao i da utiče na
samo korištenje prostora. Pošto ti objekti remete prirodnu vizuru, instalacija mora svojim
oblikom biti prilagođena okolini. Uticaj geotermalnih instalacija na upotrebu prostora u okolini
lokacije izražava se u promjenama privrednih aktivnosti i socijalne strukture stanovništva. Ovi
uticaji se posebno izražavaju kroz infrastrukture za potrebe instalacije, gradnju objekata,
komunikacija i dr. u njenoj okolini. U normalnom pogonu geotermalna instalacija ne proizvodi
veću buku, a primjenjena oprema se može smjestiti i u neposrednoj blizini potrošača ili
stambenih i javnih objekata, uz vođenje računa o svim preventivnim mjerama da ne dođe do
nekontrolisanog isticanja termalnih fluida. Buka nastaje prilikom istraživačkog bušenja i tokom
konstrukcionih faza i kreće se od 45 do 120 dB. Pošto geotermalne instalacije koriste energiju
dobijenu iz „podzemnog kotla“ u neposrednoj blizini, nepotrebni su procesi kopanja
UVOD U ENERGETIKU
72
energetske sirovine, pripreme i prerade, transporta goriva, kotlova i drugih transformacionih
energetskih uređaja. Samim tim su i uticaji geotermalne energije na okolinu znatno manji i
lakše rješivi. Geotermalna energija je lokalna energija, pa se štetni uticaji lociraju i rješavaju
na relativno malom prostoru, pri čemu su uticaji na tlo, atmosferu i vode zanemarljivi pri
vođenju računa o mjerama zaštite. Jednostavnost i samodovoljnost geotermalnog ciklusa
doprinosi povećanju sigurnosti, pa samim tim i znatno povoljnijoj ukupnoj ekološkoj ocjeni u
odnosu na konvencionalne izvore energije.
Svjetske preporuke za korištenje geotermalne energije kao obnovljive energije su izuzetno
snažne. Dolaze od svih važnih institucija koje se zalažu za potpunu primjenu „Kyoto" protokola,
jer primjena geotermalnih voda u energetske svrhe u poređenju sa konvencionalnim
rješenjima omogućava dominantno pozitivan uticaj na životnu okolinu.
72
energetske sirovine, pripreme i prerade, transporta goriva, kotlova i drugih transformacionih
energetskih uređaja. Samim tim su i uticaji geotermalne energije na okolinu znatno manji i
lakše rješivi. Geotermalna energija je lokalna energija, pa se štetni uticaji lociraju i rješavaju
na relativno malom prostoru, pri čemu su uticaji na tlo, atmosferu i vode zanemarljivi pri
vođenju računa o mjerama zaštite. Jednostavnost i samodovoljnost geotermalnog ciklusa
doprinosi povećanju sigurnosti, pa samim tim i znatno povoljnijoj ukupnoj ekološkoj ocjeni u
odnosu na konvencionalne izvore energije.
Svjetske preporuke za korištenje geotermalne energije kao obnovljive energije su izuzetno
snažne. Dolaze od svih važnih institucija koje se zalažu za potpunu primjenu „Kyoto" protokola,
jer primjena geotermalnih voda u energetske svrhe u poređenju sa konvencionalnim
rješenjima omogućava dominantno pozitivan uticaj na životnu okolinu.
UVOD U ENERGETIKU
73
Solarna energija predstavlja energiju sunčevog zračenja koju zapažamo u obliku toplote i
svjetla. Sunce je ubjedljivo najveći izvor obnovljive energije na Zemlji. Obnovljivim izvorom
energije se smatra energija koja potiče iz posrednog ili neposrednog sunčevog zračenja jer ona
ne remeti prirodnu ravnotežu izmedju materije i energije. Godišnje Zemlja dobija oko 342
W/m
2
energije od sunca u obliku sunčevog zračenja. Atmosfera reflektuje 77 W/m
2
i upija oko
68 W/m
2
. Dakle, u prosjeku, radijacija koja dostiže površinu Zemlje je 197 W/m
2
. Iako je to
veoma mali procenat, manje od milijarditog dijela energije koju emituje sunce, iznos koji se
godišnje dobija je 10.000 puta veći od energije koju čovečanstvo troši na godišnjem nivou.
Solarna energija se može iskoristiti da bi se dobila toplota ili proizvela električna energija. Na
samo 5% pustinjskog područja pojavljuje se velika količina sunčeve energije, koja bi bila
dovoljna za proizvodnju električne energije potrebne u cijelom svijetu. Naravno, bio bi veliki
napor da se ta električna energija uskladišti i transportuje iz udaljenih područja u naseljena
područja gdje je ona potrebna, ali solarna energija ima veoma važnu prednost u odnosu na
druge izvore energije tj. dostupna je u naseljenim regijama svuda na zemlji (iako stepen do
kojeg je solarna energija dostupna i njen intenzitet varira sa lokacijom i vremenom).
8.1. OGROMNI POTENCIJAL SUNČEVE ENERGIJE
Solarna energija je dostupna samo tokom dana. Tokom dana intenzitet na datoj lokaciji može
značajno varirati u zavisnosti od vremena i uslova. Intenzitet sunca, također, varira od sezone
do sezone. Energija sunčevog zračenja koje dopire do Zemlje u gornjim slojevima atmosfere je
1.366 W/m
2
. Na ekvatoru se reflektuje oko 6% dolaznog sunčevog zračenja i 16% apsorbuje
atmosfera. To znači da snaga od oko 1 kW/m
2
dostiže na tlo na ekvatoru. Ova vrijednost se
smanjuje na 0,5 kW/m
2
kada se govori o većim geografskim širinama, jer je debljina atmosfere
veća. Varijacije u atmosferskim uslovima (npr. oblaci, zagađenje, aerosoli) mogu dodatno
uticati na smanjenje solarne energije koja dopire do Zemlje. Sunčeva energija dostiže oko 20
% Zemljine površine. U Sjevernoj Americi, prosječna raspoloživa energija sunca varira između
3 i 9 kWh/m
2
na dan. U prosjeku, sjeverna Europa dnevno prima između 2 i 3 kWh/m
2
energije
sunca, dok je u tropima dostupno oko 6 kWh/m
2
sunčeve energije na dan. Primljeno sunčevo
zračenje u različim poručjima tropskih krajeva varira oko 20%. U Francuskoj solarno zračenje
varira za faktor 2,5 između južne i sjeverne regije. Prosječno sunčevo zračenje za različite
gradove u Sjedinjenim Državama prikazano je na slici 8.1.
73
Solarna energija predstavlja energiju sunčevog zračenja koju zapažamo u obliku toplote i
svjetla. Sunce je ubjedljivo najveći izvor obnovljive energije na Zemlji. Obnovljivim izvorom
energije se smatra energija koja potiče iz posrednog ili neposrednog sunčevog zračenja jer ona
ne remeti prirodnu ravnotežu izmedju materije i energije. Godišnje Zemlja dobija oko 342
W/m
2
energije od sunca u obliku sunčevog zračenja. Atmosfera reflektuje 77 W/m
2
i upija oko
68 W/m
2
. Dakle, u prosjeku, radijacija koja dostiže površinu Zemlje je 197 W/m
2
. Iako je to
veoma mali procenat, manje od milijarditog dijela energije koju emituje sunce, iznos koji se
godišnje dobija je 10.000 puta veći od energije koju čovečanstvo troši na godišnjem nivou.
Solarna energija se može iskoristiti da bi se dobila toplota ili proizvela električna energija. Na
samo 5% pustinjskog područja pojavljuje se velika količina sunčeve energije, koja bi bila
dovoljna za proizvodnju električne energije potrebne u cijelom svijetu. Naravno, bio bi veliki
napor da se ta električna energija uskladišti i transportuje iz udaljenih područja u naseljena
područja gdje je ona potrebna, ali solarna energija ima veoma važnu prednost u odnosu na
druge izvore energije tj. dostupna je u naseljenim regijama svuda na zemlji (iako stepen do
kojeg je solarna energija dostupna i njen intenzitet varira sa lokacijom i vremenom).
8.1. OGROMNI POTENCIJAL SUNČEVE ENERGIJE
Solarna energija je dostupna samo tokom dana. Tokom dana intenzitet na datoj lokaciji može
značajno varirati u zavisnosti od vremena i uslova. Intenzitet sunca, također, varira od sezone
do sezone. Energija sunčevog zračenja koje dopire do Zemlje u gornjim slojevima atmosfere je
1.366 W/m
2
. Na ekvatoru se reflektuje oko 6% dolaznog sunčevog zračenja i 16% apsorbuje
atmosfera. To znači da snaga od oko 1 kW/m
2
dostiže na tlo na ekvatoru. Ova vrijednost se
smanjuje na 0,5 kW/m
2
kada se govori o većim geografskim širinama, jer je debljina atmosfere
veća. Varijacije u atmosferskim uslovima (npr. oblaci, zagađenje, aerosoli) mogu dodatno
uticati na smanjenje solarne energije koja dopire do Zemlje. Sunčeva energija dostiže oko 20
% Zemljine površine. U Sjevernoj Americi, prosječna raspoloživa energija sunca varira između
3 i 9 kWh/m
2
na dan. U prosjeku, sjeverna Europa dnevno prima između 2 i 3 kWh/m
2
energije
sunca, dok je u tropima dostupno oko 6 kWh/m
2
sunčeve energije na dan. Primljeno sunčevo
zračenje u različim poručjima tropskih krajeva varira oko 20%. U Francuskoj solarno zračenje
varira za faktor 2,5 između južne i sjeverne regije. Prosječno sunčevo zračenje za različite
gradove u Sjedinjenim Državama prikazano je na slici 8.1.
UVOD U ENERGETIKU
74
Slika 8.1. Sunčevo zračenje za pojedine Američke gradove.
Za iskorištavanje sunčevog zračenja se mogu koristiti različite tehnologije. Neke od njih se
koriste za direktnu proizvodnju toplote iz solarne energije, dok druge služe za proizvodnju
električne energije. Upotreba sunčeve energije posebno je efikasna u zemljama koje se nalaze
u tropskom pojasu. Mnoge države koriste sunčevu energiju kako bi osigurali i poboljšali svoj
ekonomski razvoj. Glavni problem solarne energije je to što je njeno pretvaranje u električnu
energiju još uvijek veoma skupo.
8.2. TERMOSOLARNA ENERGIJA
Najjedostavniji oblik energije u kojem se koristi sunčevo zračenje je toplotna energija. Prije
nego što je čovječanstvo ovladalo vatrom, energija sunca je bila glavni izvor toplotne energije.
To je razlog zašto se čovječanstvo prvi put razvijalo u toplim dijelovima svijeta.
8.2.1 Proizvodnja tople vode za potrebe domaćinstva
Upotreba sunčeve energije je dobar način za zagrijavanje vode u temperaturnom intervalu od
30 - 150°C. Koristi se za kućne potrebe kao što su kupanje, tuširanje, grijanje zgrada, itd.
Najjednostavniji i najekonomičniji način da se iskoristi solarna energija je zagrijavanje vode.
Od ukupne potrošnje energije u Sjedinjenim Državama ili Evropskoj uniji, jedna četvrtina je
posvećena grijanju ili hlađenju. Veliki dio se koristi za grijanje prostora ili za zagrijavanje vode
za kućne potrebe.U Sjedinjenim Američkim Državama, voda za grijanje iznosi otprilike jednu
trećinu prosječne ukupne potrošnje energije domaćinstva, a oko 14% od ukupne potrošnje
energije u zemlji odnosi se na zagrijavanje vode. Solarni grijači vode su posebno pogodni
uređaji za zagrijavanje vode na isplativ način. U zavisnosti od klime i tehnologije koja se koristi
za iskorištavanje solarne energije, solarni bojler može da zadovolji između 50 i 90% ukupne
potrebe za toplom vodom domaćinstava. Ukupni instalirani kapacitet solarnih sistema tople
vode je oko 88 GW th (termalni gigavati), sa trendom povećanja po stopi od 14% godišnje.
Solarni grijači vode obično koriste solarne kolektore ili panele da apsorbuju toplotnu energiju
koja dolazi od sunca.
74
Slika 8.1. Sunčevo zračenje za pojedine Američke gradove.
Za iskorištavanje sunčevog zračenja se mogu koristiti različite tehnologije. Neke od njih se
koriste za direktnu proizvodnju toplote iz solarne energije, dok druge služe za proizvodnju
električne energije. Upotreba sunčeve energije posebno je efikasna u zemljama koje se nalaze
u tropskom pojasu. Mnoge države koriste sunčevu energiju kako bi osigurali i poboljšali svoj
ekonomski razvoj. Glavni problem solarne energije je to što je njeno pretvaranje u električnu
energiju još uvijek veoma skupo.
8.2. TERMOSOLARNA ENERGIJA
Najjedostavniji oblik energije u kojem se koristi sunčevo zračenje je toplotna energija. Prije
nego što je čovječanstvo ovladalo vatrom, energija sunca je bila glavni izvor toplotne energije.
To je razlog zašto se čovječanstvo prvi put razvijalo u toplim dijelovima svijeta.
8.2.1 Proizvodnja tople vode za potrebe domaćinstva
Upotreba sunčeve energije je dobar način za zagrijavanje vode u temperaturnom intervalu od
30 - 150°C. Koristi se za kućne potrebe kao što su kupanje, tuširanje, grijanje zgrada, itd.
Najjednostavniji i najekonomičniji način da se iskoristi solarna energija je zagrijavanje vode.
Od ukupne potrošnje energije u Sjedinjenim Državama ili Evropskoj uniji, jedna četvrtina je
posvećena grijanju ili hlađenju. Veliki dio se koristi za grijanje prostora ili za zagrijavanje vode
za kućne potrebe.U Sjedinjenim Američkim Državama, voda za grijanje iznosi otprilike jednu
trećinu prosječne ukupne potrošnje energije domaćinstva, a oko 14% od ukupne potrošnje
energije u zemlji odnosi se na zagrijavanje vode. Solarni grijači vode su posebno pogodni
uređaji za zagrijavanje vode na isplativ način. U zavisnosti od klime i tehnologije koja se koristi
za iskorištavanje solarne energije, solarni bojler može da zadovolji između 50 i 90% ukupne
potrebe za toplom vodom domaćinstava. Ukupni instalirani kapacitet solarnih sistema tople
vode je oko 88 GW th (termalni gigavati), sa trendom povećanja po stopi od 14% godišnje.
Solarni grijači vode obično koriste solarne kolektore ili panele da apsorbuju toplotnu energiju
koja dolazi od sunca.
UVOD U ENERGETIKU
75
Slika 8.2. Primjer solarnih kolektora.
Voda u ovim kolektorima se zagrijava i struji u toplotno izolirani spremnik, gdje se može
pohraniti za kasnije korištenje. U pasivnim sistemima voda prirodno teče između kolektora i
spremnika, dok aktivni sistemi koriste pumpe kako bi izvršili ovaj prijenos. Spremnik se obično
dopunjava dodatnim izvorom grijanja (napajanjem električnom energijom ili fosilnim
gorivom), za zagrijavanje vode u slučaju kada nema sunčeve svjetlosti, a postoji potreba za
toplom vodom. Ovaj dodatni izvor energije često ima i drugu svrhu, kao što je uništavanje
mikroorganizama koji se razvijaju na nižim temperaturama npr. neke vrste bakterija. Što je
veća željena temperatura, to je sofisticiraniji solarni kolektor. Kolektor sa crnom bojom je
pogodan za sisteme koji se koriste za temperature od 30 - 35°C. Staklo koje se nalazi ispred
crnog kolektora će proizvesti efekat staklene bašte i omogućiti da temperature dostignu
između50 i 60 °C . Ako se crna boja zamjeni selektivnom apsorpcijom, moguće je postići
temperature od oko 70 – 90°C. Sa kolektorima pod vakumom mogu se postići temerature veće
od 100°C. Neke zemlje u velikoj mjeri koriste solarne sisteme tople vode. U Izraelu 90% kuća
je opremljeno ovom tehnologijom. U zemlji sa umjerenom klimom, kao što je Francuska, oko
4m
2
kolektora je dovoljno da obezbjedi toplu vodu za porodicu od četiri osobe. Cijena takvog
sistema se kreće od 2.000 do 4.000 €. Solarni grijači vode također se mogu koristiti za
zagrijavanje unutrašnjeg prostora kuće. To se postiže korištenjem sistema za provjetravanje
na otvorenom, gde zagrijana topla voda prelazi u cijevi ispod poda ili unutar plafona. Solarni
kolektori obično mogu koristiti između 200 i 800 kWh/m
2
u zavisnosti od tehnologije, regiona
i potreba. Solarni toplovodni sistemi su također korisni za zagrijavanje bazena. Povećana
upotreba solarnih bojlera bi trebala biti glavni energetski prioritet. To je tehnologija koja je
jeftina i jednostavna u odnosu na fotonaponske ćelije i može značajno smanjiti potrošnju
drveća i fosilnih goriva.
Slika 8.3. Šematski prikaz sistema koji koristi solarni kolektor
za snabdijevanje toplom vodom.
75
Slika 8.2. Primjer solarnih kolektora.
Voda u ovim kolektorima se zagrijava i struji u toplotno izolirani spremnik, gdje se može
pohraniti za kasnije korištenje. U pasivnim sistemima voda prirodno teče između kolektora i
spremnika, dok aktivni sistemi koriste pumpe kako bi izvršili ovaj prijenos. Spremnik se obično
dopunjava dodatnim izvorom grijanja (napajanjem električnom energijom ili fosilnim
gorivom), za zagrijavanje vode u slučaju kada nema sunčeve svjetlosti, a postoji potreba za
toplom vodom. Ovaj dodatni izvor energije često ima i drugu svrhu, kao što je uništavanje
mikroorganizama koji se razvijaju na nižim temperaturama npr. neke vrste bakterija. Što je
veća željena temperatura, to je sofisticiraniji solarni kolektor. Kolektor sa crnom bojom je
pogodan za sisteme koji se koriste za temperature od 30 - 35°C. Staklo koje se nalazi ispred
crnog kolektora će proizvesti efekat staklene bašte i omogućiti da temperature dostignu
između50 i 60 °C . Ako se crna boja zamjeni selektivnom apsorpcijom, moguće je postići
temperature od oko 70 – 90°C. Sa kolektorima pod vakumom mogu se postići temerature veće
od 100°C. Neke zemlje u velikoj mjeri koriste solarne sisteme tople vode. U Izraelu 90% kuća
je opremljeno ovom tehnologijom. U zemlji sa umjerenom klimom, kao što je Francuska, oko
4m
2
kolektora je dovoljno da obezbjedi toplu vodu za porodicu od četiri osobe. Cijena takvog
sistema se kreće od 2.000 do 4.000 €. Solarni grijači vode također se mogu koristiti za
zagrijavanje unutrašnjeg prostora kuće. To se postiže korištenjem sistema za provjetravanje
na otvorenom, gde zagrijana topla voda prelazi u cijevi ispod poda ili unutar plafona. Solarni
kolektori obično mogu koristiti između 200 i 800 kWh/m
2
u zavisnosti od tehnologije, regiona
i potreba. Solarni toplovodni sistemi su također korisni za zagrijavanje bazena. Povećana
upotreba solarnih bojlera bi trebala biti glavni energetski prioritet. To je tehnologija koja je
jeftina i jednostavna u odnosu na fotonaponske ćelije i može značajno smanjiti potrošnju
drveća i fosilnih goriva.
Slika 8.3. Šematski prikaz sistema koji koristi solarni kolektor
za snabdijevanje toplom vodom.
UVOD U ENERGETIKU
76
U nekim razvijenijim zemljama se daju značajni podsticaji za korištenje i pokretanje razvoja
termosolarne energije i solarne energije uopšte. Kumulativna snaga instaliranih kapaciteta
termosolarnih kolektora je prikazana na slici 8.4, za 10 zemalja Evropske unije. Ukupno
instalirani kapacitet u Evropskoj uniji u 2006. godini iznosio je 20,4 km
2
.
Slika 8.4. Kumulativni površinski kapacitet termosolarnih kolektora u 2006. godini
8.2.2. Grijanje, hlađenje i ventilacija korištenjem sunčave energije
U Sjedinjenim Državama i Evropskoj uniji, konvencionalni sistemi zgrada za grijanje, hlađenje
i ventilaciju troše oko 40% energije koja je dostupna. Solarna energija može zadovoljiti veći
dio ove potražnje za energijom. Korištenje solarne energije u tu svrhu bi bilo posebno povoljno
na mjestima gdje energija koja se trenutno koristi potiče od fosilnih goriva. Mnogo je pametnih
tehnika, aktivnih ili pasivnih, dostupnih za korištenje solarne energije. U pasivnim rješenjima,
energetski strujni tokovi omogućuju prijenos toplinske energije u ili izvan zgrade bez potrošnje
konvencionalne energije.
Solarni dimnjaci su pasivni sistemi koji koriste kanal izgrađen od termički provodnog materijala
za spajanje vanjskog i unutrašnjeg dijela zgrade. Tokom dana solarna energija zagrijava
dimnjak i vazduh unutra. Ovo stvara struju vazduha, stvarajući zrak koji se koristi za ventilaciju
tj. hlađenje zgrade.
Zid Trombe je pasivni solarni sistem koji je u osnovi zračni kanal između zapečaćenog
izoliranog stakla i zida građenog od materijala koji ima visoku specifičnu toplotu, tj. sposobnu
za skladištenje velikih količina toplotne energija (npr. kamen, beton, spremnik vode). Sunčeva
svetlost prolazi izolacijski zid i solarna energija se skladišti u termalnoj masi. Zračni kanal se
zagrijava, stvarajući prirodnu ventilaciju. Postoji nekoliko varijacija ove tehnike. U nekim
slučajevima se dodaju ventili. Otvori imaju jednosmjernu ventilaciju i uređaje koji kontroliraju
smjer strujanja zraka (i topline). U odsustvu sunčeve svjetlosti zid zrači pohranjenu toplotu.
76
U nekim razvijenijim zemljama se daju značajni podsticaji za korištenje i pokretanje razvoja
termosolarne energije i solarne energije uopšte. Kumulativna snaga instaliranih kapaciteta
termosolarnih kolektora je prikazana na slici 8.4, za 10 zemalja Evropske unije. Ukupno
instalirani kapacitet u Evropskoj uniji u 2006. godini iznosio je 20,4 km
2
.
Slika 8.4. Kumulativni površinski kapacitet termosolarnih kolektora u 2006. godini
8.2.2. Grijanje, hlađenje i ventilacija korištenjem sunčave energije
U Sjedinjenim Državama i Evropskoj uniji, konvencionalni sistemi zgrada za grijanje, hlađenje
i ventilaciju troše oko 40% energije koja je dostupna. Solarna energija može zadovoljiti veći
dio ove potražnje za energijom. Korištenje solarne energije u tu svrhu bi bilo posebno povoljno
na mjestima gdje energija koja se trenutno koristi potiče od fosilnih goriva. Mnogo je pametnih
tehnika, aktivnih ili pasivnih, dostupnih za korištenje solarne energije. U pasivnim rješenjima,
energetski strujni tokovi omogućuju prijenos toplinske energije u ili izvan zgrade bez potrošnje
konvencionalne energije.
Solarni dimnjaci su pasivni sistemi koji koriste kanal izgrađen od termički provodnog materijala
za spajanje vanjskog i unutrašnjeg dijela zgrade. Tokom dana solarna energija zagrijava
dimnjak i vazduh unutra. Ovo stvara struju vazduha, stvarajući zrak koji se koristi za ventilaciju
tj. hlađenje zgrade.
Zid Trombe je pasivni solarni sistem koji je u osnovi zračni kanal između zapečaćenog
izoliranog stakla i zida građenog od materijala koji ima visoku specifičnu toplotu, tj. sposobnu
za skladištenje velikih količina toplotne energija (npr. kamen, beton, spremnik vode). Sunčeva
svetlost prolazi izolacijski zid i solarna energija se skladišti u termalnoj masi. Zračni kanal se
zagrijava, stvarajući prirodnu ventilaciju. Postoji nekoliko varijacija ove tehnike. U nekim
slučajevima se dodaju ventili. Otvori imaju jednosmjernu ventilaciju i uređaje koji kontroliraju
smjer strujanja zraka (i topline). U odsustvu sunčeve svjetlosti zid zrači pohranjenu toplotu.
UVOD U ENERGETIKU
77
Solarni krovni bazen je takođe pasivni sistem za grijanje ili hlađenje zgrada. Sastoji se od
rezervoara za vodu u prozirnom plastičnom spremniku koji se nalazi iza pokretnog izolacijskog
poklopaca, koji se može otvoriti ili zatvoriti. Za primjenu u grijanju (tokom zimskih mjeseci),
rezervoar se otkriva tokom dana, a sunčeva svjetlost zagrijava vodu iz rezervoara. Toplota se
skladišti u rezervoaru i ova energija se koristi tokom noći dok je spremnik ponovo pokriven.
Kuća se zagrijava zračenjem unutra, od krova. Ako je potrebno hlađenje (tokom ljetnih
mjeseci), poklopac pokriva spremnik tokom dana, a toplota iz zgrade se koristi za zagrijavanje
spremnika. Tokom noći sistem je otkriven i toplota se zrači ponovo.
8.2.3. Solarni štednjak
Korištenje sunčeve energije se može realizirati u još jednom obliku domaćinstva,tj. u kuhinji
za spremanje hrane. Solarni štednjaci su danas jako razvijeni, mogu imati snagu do nekoliko
stotina vati. Solarni štednjak može postići temperaturu do 150
o
C. Postoji nekoliko različitih
vrsta sistema solarnih štednjaka, a razvijaju se i veći solarni štednjaci koji omogućavaju
pripremu velikih količina hrane. Hibridni sistemi kombinuju solarnu energije i korištenje
električne pećnice, kada vremenski uslovi nisu dovoljno dobri. Velika prednost solarnog
šednjaka je što nema nikakve potrebe za gorivima. Šira i veća upotreba solarnih štednjaka
znatno bi smanjila krčenje šuma i potražnju za drvetom. Osim toga solarni štednjaci su puno
bolji za zdravlje i okolinu, jer korištenjem drveta u uslovima nedovoljne ventilacije zdravstveni
rizici su jednaki pušenju dvije kutije cigareta dnevno.
Slika 8.5. Šematski princip solarnog štednjaka
8.3. KONCENTRIRANE SOLARNE ELEKTRANE
Solarne elektrane koncentrišu sunčevu svjetlost kako bi dostigle vrlo visoke temperature i
proizvodile električnu energiju. To se postiže preko pridružene termo elektrane u kojoj para
generisana solarnom elektranom pokreće električni generator. Osnovna ideja solarnog
termalnog postrojenja je korištenje uređaja, npr. paraboličnog reflektora, za fokusiranje
sunčevog zračenja na cijev koja sadrži tečnost, ulje ili vodu. Uređaj se može zagrijati na visoke
temperature, 300 – 100 °C. Ova tehnologija je učinkovita u područjima gdje je sunce dostupno
najmanje 2.500 h/god. U zemlji kao što je Francuska, na primjer, iznos energije koja se može
iskoristiti iznosi oko 70 kWh/m
2
. Većina sadašnjih projekata je u fazi demonstracije, iako se
električna energija već proizvodi u nekim regijama, npr. u Kaliforniji.
77
Solarni krovni bazen je takođe pasivni sistem za grijanje ili hlađenje zgrada. Sastoji se od
rezervoara za vodu u prozirnom plastičnom spremniku koji se nalazi iza pokretnog izolacijskog
poklopaca, koji se može otvoriti ili zatvoriti. Za primjenu u grijanju (tokom zimskih mjeseci),
rezervoar se otkriva tokom dana, a sunčeva svjetlost zagrijava vodu iz rezervoara. Toplota se
skladišti u rezervoaru i ova energija se koristi tokom noći dok je spremnik ponovo pokriven.
Kuća se zagrijava zračenjem unutra, od krova. Ako je potrebno hlađenje (tokom ljetnih
mjeseci), poklopac pokriva spremnik tokom dana, a toplota iz zgrade se koristi za zagrijavanje
spremnika. Tokom noći sistem je otkriven i toplota se zrači ponovo.
8.2.3. Solarni štednjak
Korištenje sunčeve energije se može realizirati u još jednom obliku domaćinstva,tj. u kuhinji
za spremanje hrane. Solarni štednjaci su danas jako razvijeni, mogu imati snagu do nekoliko
stotina vati. Solarni štednjak može postići temperaturu do 150
o
C. Postoji nekoliko različitih
vrsta sistema solarnih štednjaka, a razvijaju se i veći solarni štednjaci koji omogućavaju
pripremu velikih količina hrane. Hibridni sistemi kombinuju solarnu energije i korištenje
električne pećnice, kada vremenski uslovi nisu dovoljno dobri. Velika prednost solarnog
šednjaka je što nema nikakve potrebe za gorivima. Šira i veća upotreba solarnih štednjaka
znatno bi smanjila krčenje šuma i potražnju za drvetom. Osim toga solarni štednjaci su puno
bolji za zdravlje i okolinu, jer korištenjem drveta u uslovima nedovoljne ventilacije zdravstveni
rizici su jednaki pušenju dvije kutije cigareta dnevno.
Slika 8.5. Šematski princip solarnog štednjaka
8.3. KONCENTRIRANE SOLARNE ELEKTRANE
Solarne elektrane koncentrišu sunčevu svjetlost kako bi dostigle vrlo visoke temperature i
proizvodile električnu energiju. To se postiže preko pridružene termo elektrane u kojoj para
generisana solarnom elektranom pokreće električni generator. Osnovna ideja solarnog
termalnog postrojenja je korištenje uređaja, npr. paraboličnog reflektora, za fokusiranje
sunčevog zračenja na cijev koja sadrži tečnost, ulje ili vodu. Uređaj se može zagrijati na visoke
temperature, 300 – 100 °C. Ova tehnologija je učinkovita u područjima gdje je sunce dostupno
najmanje 2.500 h/god. U zemlji kao što je Francuska, na primjer, iznos energije koja se može
iskoristiti iznosi oko 70 kWh/m
2
. Većina sadašnjih projekata je u fazi demonstracije, iako se
električna energija već proizvodi u nekim regijama, npr. u Kaliforniji.
UVOD U ENERGETIKU
78
8.3.1 Parabolična korita
Sistemi solarnih korita su ekonomski najkonkurentnija postrojenja za korištenje sunčeve
energije. Kada sunce sija, efikasnost ovog tipa solarne elektrane je visoka, blizu 93%. Cijena
proizvedene električne energije je oko 0,10 - 0,12 $/kWh. Ovo je otprilike upola niža cijena
nego prije 20 godina. Iako još uvijek ostaje iznad troškova električne energije proizvedene
prirodnim gasom. U Evropi, sunčana Španija je možda najposvećenija korištenju solarne
energije. Solarna elektrana Andasol 1 u blizini Guadixa je prva komercijalna elektrana sa
paraboličnim koritima u Evropi. Ima instaliranu snagu od 50 MW i spojena je do velikog
rezervoara za skladištenje toplote, koji je dovoljan da osigura električnu energiju u trajanju od
7 h u odsustvu sunčeve svjetlosti. Očekuje se da će se svake godine proizvoditi blizu 180 GWh,
zadovoljavajući potrebe oko 200.000 ljudi. Parabolične elektrane planirane su i na Kritu, Egiptu
i Indiji. Očekuje se da će cijena električne energije biti oko 0,08 $/kWh. Instalacija solarnog
polja predstavlja oko polovinu ukupne investicije.
Slika 8.6. Šema paraboličnog korita.
8.3.2. Energetski tornjevi
Energetski tornjevi koriste set fleksibilnih ogledala,koji se mogu kretati u dva pravca za
praćenje kretanja sunca. Fokus sunca je na kolektoru tj. meti koja se nalazi u tornju. Ove
solarne elektrane se ponekad nazivaju i “centralni” tornjevi ili heliostatske elektrane. U
poređenju sa paraboličnim instalacijama, mogu dostići veće temperature. Dobiveni rezultati
dovode do bolje efikasnosti proizvodnje električne energije. Ovo slijedi iz Carnot-ovog
principa, koji kaže da što je veća temperaturna razlika između dva izvora toplote, to je veći
prinos korisnog rada. Ovo su sofisticiraniji sistemi jer svako ogledalo mora biti u stanju da se
pomjera dva pravca, za razliku od paraboličnih korita, gdje su sva ogledala pozicionirana duž
iste linije i mogu da se pomjeraju samo u jednom pravcu, dakle imaju samo jedan stepen
slobode kretanja. Ogledala sa velikim površinama su efikasnija i ekonomski konkurentnija.
Toplina se mora skladištiti, u cilju proizvodnje električne energije noću ili tokom oblačnih dana.
Za tu svrhu se mogu koristiti rastaljene soli. Nekoliko projekata izgradnje energetskih tornjeva
započelo je osamdesetih godina prošlog vijeka, jer su industrijalizovane zemlje strahovale od
nedostatka jeftine nafte. Najveći projekt je bio SOLAR 1 u Kaliforniji 1982. godine. Imao je
71.500 m
2
ogledala. Nakon toga je uslijedio projekat SPP-5 sa 40.000 m
2
ogledala u Ukrajini.
78
8.3.1 Parabolična korita
Sistemi solarnih korita su ekonomski najkonkurentnija postrojenja za korištenje sunčeve
energije. Kada sunce sija, efikasnost ovog tipa solarne elektrane je visoka, blizu 93%. Cijena
proizvedene električne energije je oko 0,10 - 0,12 $/kWh. Ovo je otprilike upola niža cijena
nego prije 20 godina. Iako još uvijek ostaje iznad troškova električne energije proizvedene
prirodnim gasom. U Evropi, sunčana Španija je možda najposvećenija korištenju solarne
energije. Solarna elektrana Andasol 1 u blizini Guadixa je prva komercijalna elektrana sa
paraboličnim koritima u Evropi. Ima instaliranu snagu od 50 MW i spojena je do velikog
rezervoara za skladištenje toplote, koji je dovoljan da osigura električnu energiju u trajanju od
7 h u odsustvu sunčeve svjetlosti. Očekuje se da će se svake godine proizvoditi blizu 180 GWh,
zadovoljavajući potrebe oko 200.000 ljudi. Parabolične elektrane planirane su i na Kritu, Egiptu
i Indiji. Očekuje se da će cijena električne energije biti oko 0,08 $/kWh. Instalacija solarnog
polja predstavlja oko polovinu ukupne investicije.
Slika 8.6. Šema paraboličnog korita.
8.3.2. Energetski tornjevi
Energetski tornjevi koriste set fleksibilnih ogledala,koji se mogu kretati u dva pravca za
praćenje kretanja sunca. Fokus sunca je na kolektoru tj. meti koja se nalazi u tornju. Ove
solarne elektrane se ponekad nazivaju i “centralni” tornjevi ili heliostatske elektrane. U
poređenju sa paraboličnim instalacijama, mogu dostići veće temperature. Dobiveni rezultati
dovode do bolje efikasnosti proizvodnje električne energije. Ovo slijedi iz Carnot-ovog
principa, koji kaže da što je veća temperaturna razlika između dva izvora toplote, to je veći
prinos korisnog rada. Ovo su sofisticiraniji sistemi jer svako ogledalo mora biti u stanju da se
pomjera dva pravca, za razliku od paraboličnih korita, gdje su sva ogledala pozicionirana duž
iste linije i mogu da se pomjeraju samo u jednom pravcu, dakle imaju samo jedan stepen
slobode kretanja. Ogledala sa velikim površinama su efikasnija i ekonomski konkurentnija.
Toplina se mora skladištiti, u cilju proizvodnje električne energije noću ili tokom oblačnih dana.
Za tu svrhu se mogu koristiti rastaljene soli. Nekoliko projekata izgradnje energetskih tornjeva
započelo je osamdesetih godina prošlog vijeka, jer su industrijalizovane zemlje strahovale od
nedostatka jeftine nafte. Najveći projekt je bio SOLAR 1 u Kaliforniji 1982. godine. Imao je
71.500 m
2
ogledala. Nakon toga je uslijedio projekat SPP-5 sa 40.000 m
2
ogledala u Ukrajini.
UVOD U ENERGETIKU
79
Slika 8.7. Princip spremnika parabolične posude.
8.4. SOLARNI DIMNJACI
Električnu energiju je moguće proizvoditi i pomoću pasivnih termosolarnih sistema bez
koncentracije sunčeve svjetlosti. U solarnim tornjevima visoki dimnjak stoji u sredini proširene
kružne strukture kolektora staklenika koja se nalazi na zemlji. Budući da postoji temperaturna
razlika između staklenika i vrha dimnjaka, prirodna konvekcija uzrokuje da se zrak koji se
zagrijava u kolektoru staklenika uzdiže i izlazi kroz dimnjak. Vazdušna struja prolazi kroz
turbine pri čemu se proizvodi električna energija. Ako se toplota skladišti unutar kolektora
tokom dana, ovaj sistem se može koristiti za proizvodnju struje tokom noći.
Prvi prototip solarnog tornja snage 50 MW izgrađen je 1982. godine u Španiji. Kolektor
staklenika je krug prečnika 244 m koji pokriva 46.000 m
2
, ili 4,6 ha. Dimnjak je visok 195 m i
promjera 10 m. Sada je u izgradnji u Novom Južnom Velsu u Australiji toranj solarne energije
od 200 MW. Kolektor staklenika je krug promjera 7 km (38,5 km
2
) i dimnjak je visok 1 km.
Očekuje se da će se pojaviti tipične temperature okoline 30°C u prizemlju i 20°C na 1.000 m.
Unutar kolektora, zbog efekta staklene bašte, temperatura vazduha će se povećati na 70°C, a
vazdušni protok će biti 15 m/s. Ovaj protok će omogućiti dobijenje energije korištenjem 32
turbine. Pošto se toplota može skladištiti tokom sunčanih sati, od solarnog tornja se očekuje
da će raditi 24 sata dnevno, i kontinuirano proizvoditi električnu energiju. Solarni toranj
zahtjeva veliki početni investicijski trošak, ali očekuju se relativno niski operativni troškovi.
Budući da je efikasnost ovakve transformacije relativno mali u odnosu na koncentrisane
solarne sisteme, to dovodi do većih troškova električne energije. Za Australijski projekat
procjenjuje se da su troškovi izgradnje oko 800 miliona dolara. Dobijena energija je 5 W/m
2
,
što odgovara prinosu od 0,5% od sunčeve energije, mnogo manje od one koja se postiže
koncentrisanim solarnim sistemom. Trošak električne energije je veći nego za konvencionalna
sredstva proizvodnje. Razumne procjene predviđaju trošak između 20 i 35¢ po kilovat satu.
Ovaj sistem može da obezbjedi struju za 200.000 domova, a emisija CO2 smanjila bi se za 0,83
Mt/god.
79
Slika 8.7. Princip spremnika parabolične posude.
8.4. SOLARNI DIMNJACI
Električnu energiju je moguće proizvoditi i pomoću pasivnih termosolarnih sistema bez
koncentracije sunčeve svjetlosti. U solarnim tornjevima visoki dimnjak stoji u sredini proširene
kružne strukture kolektora staklenika koja se nalazi na zemlji. Budući da postoji temperaturna
razlika između staklenika i vrha dimnjaka, prirodna konvekcija uzrokuje da se zrak koji se
zagrijava u kolektoru staklenika uzdiže i izlazi kroz dimnjak. Vazdušna struja prolazi kroz
turbine pri čemu se proizvodi električna energija. Ako se toplota skladišti unutar kolektora
tokom dana, ovaj sistem se može koristiti za proizvodnju struje tokom noći.
Prvi prototip solarnog tornja snage 50 MW izgrađen je 1982. godine u Španiji. Kolektor
staklenika je krug prečnika 244 m koji pokriva 46.000 m
2
, ili 4,6 ha. Dimnjak je visok 195 m i
promjera 10 m. Sada je u izgradnji u Novom Južnom Velsu u Australiji toranj solarne energije
od 200 MW. Kolektor staklenika je krug promjera 7 km (38,5 km
2
) i dimnjak je visok 1 km.
Očekuje se da će se pojaviti tipične temperature okoline 30°C u prizemlju i 20°C na 1.000 m.
Unutar kolektora, zbog efekta staklene bašte, temperatura vazduha će se povećati na 70°C, a
vazdušni protok će biti 15 m/s. Ovaj protok će omogućiti dobijenje energije korištenjem 32
turbine. Pošto se toplota može skladištiti tokom sunčanih sati, od solarnog tornja se očekuje
da će raditi 24 sata dnevno, i kontinuirano proizvoditi električnu energiju. Solarni toranj
zahtjeva veliki početni investicijski trošak, ali očekuju se relativno niski operativni troškovi.
Budući da je efikasnost ovakve transformacije relativno mali u odnosu na koncentrisane
solarne sisteme, to dovodi do većih troškova električne energije. Za Australijski projekat
procjenjuje se da su troškovi izgradnje oko 800 miliona dolara. Dobijena energija je 5 W/m
2
,
što odgovara prinosu od 0,5% od sunčeve energije, mnogo manje od one koja se postiže
koncentrisanim solarnim sistemom. Trošak električne energije je veći nego za konvencionalna
sredstva proizvodnje. Razumne procjene predviđaju trošak između 20 i 35¢ po kilovat satu.
Ovaj sistem može da obezbjedi struju za 200.000 domova, a emisija CO2 smanjila bi se za 0,83
Mt/god.
UVOD U ENERGETIKU
80
Slika 8.8. Princip solarnog dimnjaka u Australiji.
8.5. FOTONAPONSKI SISTEMI
Solarni fotonaponski kolektori služe za direktno pretvaranje sunčeve svjetlosti u električnu
energiju, a izrađuju se u obliku fotonaponskih ćelija koje mogu biti od: monokristaličnog i
polikristaličnog silicija, amorfnog silicija, kadmij-telurida i bakar-indij-diselenida.
5.1. Vrste fotonaponskih modula
Samostojeći fotonaponski (FN) moduli mogu biti istosmjerni (DC), kombinovani istosmjerno-
izmjenični (DC/AC) ili hibridni s pomoćnim izvorima kao što su benzinski ili dizelski agregati,
vjetroturbine, hidroturbine ili mali kogeneracijski izvori (npr. motor ili mikroturbina).
Umreženi FN moduli koriste mrežu kao spremnik u interaktivnom režimu rada. Tada se višak
energije (najčešće danju tokom sunčanog vremena) predaje mreži, a noću i u uvjetima manje
insolacije uzima se manjak iz mreže. Fotonaponski sistemi predstavljaju integrisani skup FN
modula i ostalih komponenata koji su projektovani tako da primarnu sunčevu energiju izravno
pretvaraju u konačnu električnu energiju kojom se osigurava rad određenog broja
istosmjernih ili izmjeničnih potrošača. Zavisno o načinu rada, postoji više vrsta FN sistema :
• samostalni, za čiji rad mreža nije potrebna,
• mrežni, spojeni na električnu mrežu,
• pasivni, kod njih mreža služi samo kao pričuvni izvor,
• aktivni, kada mreža može pokrivati manjak, ali i preuzimati višak električne energije,
• hibridni, koji su zapravo samostalni, ali i povezani sa drugim obnovljivim izvorima.
8.5.2. Aplikacije
Velika prednost fotonaponskih modula je u tome što su pouzdani i nema pokretnih dijelova.
Potrebno je malo održavanja, a sistemi ne proizvode buku. Također, nema emisije CO2 tokom
rada. Struja se može proizvoditi na zahtjev u mjestu potrošnje, izbjegavajući gubitke u
transportu na velikim udaljenostima.
80
Slika 8.8. Princip solarnog dimnjaka u Australiji.
8.5. FOTONAPONSKI SISTEMI
Solarni fotonaponski kolektori služe za direktno pretvaranje sunčeve svjetlosti u električnu
energiju, a izrađuju se u obliku fotonaponskih ćelija koje mogu biti od: monokristaličnog i
polikristaličnog silicija, amorfnog silicija, kadmij-telurida i bakar-indij-diselenida.
5.1. Vrste fotonaponskih modula
Samostojeći fotonaponski (FN) moduli mogu biti istosmjerni (DC), kombinovani istosmjerno-
izmjenični (DC/AC) ili hibridni s pomoćnim izvorima kao što su benzinski ili dizelski agregati,
vjetroturbine, hidroturbine ili mali kogeneracijski izvori (npr. motor ili mikroturbina).
Umreženi FN moduli koriste mrežu kao spremnik u interaktivnom režimu rada. Tada se višak
energije (najčešće danju tokom sunčanog vremena) predaje mreži, a noću i u uvjetima manje
insolacije uzima se manjak iz mreže. Fotonaponski sistemi predstavljaju integrisani skup FN
modula i ostalih komponenata koji su projektovani tako da primarnu sunčevu energiju izravno
pretvaraju u konačnu električnu energiju kojom se osigurava rad određenog broja
istosmjernih ili izmjeničnih potrošača. Zavisno o načinu rada, postoji više vrsta FN sistema :
• samostalni, za čiji rad mreža nije potrebna,
• mrežni, spojeni na električnu mrežu,
• pasivni, kod njih mreža služi samo kao pričuvni izvor,
• aktivni, kada mreža može pokrivati manjak, ali i preuzimati višak električne energije,
• hibridni, koji su zapravo samostalni, ali i povezani sa drugim obnovljivim izvorima.
8.5.2. Aplikacije
Velika prednost fotonaponskih modula je u tome što su pouzdani i nema pokretnih dijelova.
Potrebno je malo održavanja, a sistemi ne proizvode buku. Također, nema emisije CO2 tokom
rada. Struja se može proizvoditi na zahtjev u mjestu potrošnje, izbjegavajući gubitke u
transportu na velikim udaljenostima.
UVOD U ENERGETIKU
81
Međutim, snaga koju pružaju fotonaponske ćelije može biti smanjena zbog oblačnih uslova ili
zbog upadnog ugla sunčave svjetlosti. Tehnologija proizvodnje silikonskih ćelija zahtjeva
mnogo energije. Procjenjuje se da je za kristalni silicijum potrebno 4 do 5 godina izlaganja
suncu FN ćelija da bi se nadoknadila energija potrebna za njihovu proizvodnju. Srećom,
fotonaponski moduli, u slučaju primjene mreže, mogu trajati više od 30 godina. Međutim, ako
potrošač nije priključen na električnu mrežu, potrebno je dodatno sredstvo za skladištenje
energije. U samostalnim aplikacijama potrebne su baterije za skladištenje električne energije
u periodima bez sunčeve svjetlosti. Potrebna je i energija za izradu baterija, tako da je ukupno
vrijeme povrata energije duže. Fotonaponska polja imaju snagu od nekoliko milivata do
nekoliko megavata.
Glavni problem za fotonaponsku energiju je u tome što je skupa, iako je postignut veliki
napredak u smanjenju troškova. Za potrošače povezane sa mrežom, cijena po kilovat-satu
kreće se između 0,30 i 0,45 €. To je 10 puta skuplje od proizvedene električne energije sa
gasom ili nuklearnom energijom.
Upotreba fotonaponske energije ubrzano raste. Od 2002. godine u svijetu proizvodnja
električne energije uz fotonaponskih ćelija povćava se za oko 40 % svake godine. Do povećanja
je došlo uglavnom na tri tržišta: Njemačkoj, Japanu i SAD. Tako je u SAD, domaća proizvodnja
povećana sa 12,6 MW u 1997. godini na 206,5 MW u 2006. godini.
Samo u 2005. godini, fotonaponska industrija je koristila oko 15.000 t slikona za proizvodnju
1,15 GW kristalnih fotnaponskih ćelija. U istoj godini, instaliran je 1 GW novih fotonaponskih
elektroenergetskih sistema, od kojih je većina (85%) u Japanu i Njemačkoj, dok je ukupna
svjetska instalirana fotonaponska snaga iznosila je 3,7 GW. U Europi Njemačka je lider u
korištenju ove vrste energije i učestvuje sa 86% instairanog kapaciteta. U najvećoj mjeri
(94,4%) ovi kapaciteti su povezani sa mrežom.
Slika 8.9. Razvoj globalne proizvodnje fotonaponskih ćelija u MW
81
Međutim, snaga koju pružaju fotonaponske ćelije može biti smanjena zbog oblačnih uslova ili
zbog upadnog ugla sunčave svjetlosti. Tehnologija proizvodnje silikonskih ćelija zahtjeva
mnogo energije. Procjenjuje se da je za kristalni silicijum potrebno 4 do 5 godina izlaganja
suncu FN ćelija da bi se nadoknadila energija potrebna za njihovu proizvodnju. Srećom,
fotonaponski moduli, u slučaju primjene mreže, mogu trajati više od 30 godina. Međutim, ako
potrošač nije priključen na električnu mrežu, potrebno je dodatno sredstvo za skladištenje
energije. U samostalnim aplikacijama potrebne su baterije za skladištenje električne energije
u periodima bez sunčeve svjetlosti. Potrebna je i energija za izradu baterija, tako da je ukupno
vrijeme povrata energije duže. Fotonaponska polja imaju snagu od nekoliko milivata do
nekoliko megavata.
Glavni problem za fotonaponsku energiju je u tome što je skupa, iako je postignut veliki
napredak u smanjenju troškova. Za potrošače povezane sa mrežom, cijena po kilovat-satu
kreće se između 0,30 i 0,45 €. To je 10 puta skuplje od proizvedene električne energije sa
gasom ili nuklearnom energijom.
Upotreba fotonaponske energije ubrzano raste. Od 2002. godine u svijetu proizvodnja
električne energije uz fotonaponskih ćelija povćava se za oko 40 % svake godine. Do povećanja
je došlo uglavnom na tri tržišta: Njemačkoj, Japanu i SAD. Tako je u SAD, domaća proizvodnja
povećana sa 12,6 MW u 1997. godini na 206,5 MW u 2006. godini.
Samo u 2005. godini, fotonaponska industrija je koristila oko 15.000 t slikona za proizvodnju
1,15 GW kristalnih fotnaponskih ćelija. U istoj godini, instaliran je 1 GW novih fotonaponskih
elektroenergetskih sistema, od kojih je većina (85%) u Japanu i Njemačkoj, dok je ukupna
svjetska instalirana fotonaponska snaga iznosila je 3,7 GW. U Europi Njemačka je lider u
korištenju ove vrste energije i učestvuje sa 86% instairanog kapaciteta. U najvećoj mjeri
(94,4%) ovi kapaciteti su povezani sa mrežom.
Slika 8.9. Razvoj globalne proizvodnje fotonaponskih ćelija u MW
UVOD U ENERGETIKU
82
Slika 8.10. Geografska distribucija proizvodnje fotonaponskih ćelija u 2007. godini.
8.5.3. Skladištenje električne energije
Samostalne fotonaponske aplikacije ne mogu zadovoljiti potražnju tokom perioda kada nema
sunčeve svjetlosti. Potrebno je sredstvo za skladištenje električne energije. Pored pružanja
električne energije kada su fotonaponske ćelije neupotrebljive, za zadovoljavanje vršnih
potreba za energijom tokom dana mogu se koristiti odgovarajuće baterije. Eletkrična energija
se može povući istovremeno iz fotonaponskog modula i iz baterije. Baterija skladišti energiju
u elektrohemijskom obliku sa jednosmjernom efikasnošću konverzije od 85-90%. Za
fotonaponske aplikacije se koriste punjive baterije. Tokom režima punjenja pretvaraju
električnu energiju u hemijsku energiju. Proces se obrće u režimu pražnjenja. Efikasnost u
rasponu od 70 i 80 % se obično posmatra u ciklusu punjenja i pražnjenja. Cijena olovnih
baterija je oko 200-500 $ po kWh, mnogo je manje nego za druge tehnologije. Na primjer ,
cijena za Ni-MH baterije su 2.500 $/kWh. Niskotarifna olovno-kiselinska baterija ima napon
ćelije od 2 V. Ova baterija se široko koristi u fotonaponskim aplikacijama uprkos činjenici da
ove baterije imaju manju gustinu energije po težini i zapremini od drugih tehnologija. Mogu
se koristiti i druge vrste baterija: Ni-Cd, Ni-MH, Li-ion. Takve baterije iako su skuplje imaju bolju
gustinu energije. Na primjer, gustina, energije po težini Li-ion baterija je tri puta veća od
olovnih akumulatora. Olovno-kiselinska baterija može raditi na temperaturi između - 10 i + 50
o
C, dok Li-ion baterija radi na temperaturi između 10 i 45
o
C. Za Ni-Cd bateriju koja radi na 20
o
C, efikasnost punjenja je jednaka 93%, a efikasnost pražnjenja do 100%. Na – 20
o
C, ovi faktori
postaju 75 i 95%. Za Ni-Cd baterije stopa se povećava za 8%. Treba napomenuti da broj
mogućih ciklusa na datoj temperaturi jako zavisi o dubini pražnjenja. Brojke su slične za Ni-Cd
i Ni-MH baterije, ali dvostruko manje za Li-ion i Li polimerske baterije.
8.5.4. Ekonomija i okoliš
Cijena cijelog fotonaponskog sistema u velikoj mjeri zavisi o veličini sistema, lokaciji, planiranoj
aplikaciji i od toga da li je sistem povezan u mrežu ili se koristi za samostalne aplikacije.
Dodatne komponente potrebne za efektivnu eksploataciju fotonaponskih modula mogu
predstavljati neznatan doprinos u ukupnom trošku fotonaponskog sistema. Ovaj doprinos se
82
Slika 8.10. Geografska distribucija proizvodnje fotonaponskih ćelija u 2007. godini.
8.5.3. Skladištenje električne energije
Samostalne fotonaponske aplikacije ne mogu zadovoljiti potražnju tokom perioda kada nema
sunčeve svjetlosti. Potrebno je sredstvo za skladištenje električne energije. Pored pružanja
električne energije kada su fotonaponske ćelije neupotrebljive, za zadovoljavanje vršnih
potreba za energijom tokom dana mogu se koristiti odgovarajuće baterije. Eletkrična energija
se može povući istovremeno iz fotonaponskog modula i iz baterije. Baterija skladišti energiju
u elektrohemijskom obliku sa jednosmjernom efikasnošću konverzije od 85-90%. Za
fotonaponske aplikacije se koriste punjive baterije. Tokom režima punjenja pretvaraju
električnu energiju u hemijsku energiju. Proces se obrće u režimu pražnjenja. Efikasnost u
rasponu od 70 i 80 % se obično posmatra u ciklusu punjenja i pražnjenja. Cijena olovnih
baterija je oko 200-500 $ po kWh, mnogo je manje nego za druge tehnologije. Na primjer ,
cijena za Ni-MH baterije su 2.500 $/kWh. Niskotarifna olovno-kiselinska baterija ima napon
ćelije od 2 V. Ova baterija se široko koristi u fotonaponskim aplikacijama uprkos činjenici da
ove baterije imaju manju gustinu energije po težini i zapremini od drugih tehnologija. Mogu
se koristiti i druge vrste baterija: Ni-Cd, Ni-MH, Li-ion. Takve baterije iako su skuplje imaju bolju
gustinu energije. Na primjer, gustina, energije po težini Li-ion baterija je tri puta veća od
olovnih akumulatora. Olovno-kiselinska baterija može raditi na temperaturi između - 10 i + 50
o
C, dok Li-ion baterija radi na temperaturi između 10 i 45
o
C. Za Ni-Cd bateriju koja radi na 20
o
C, efikasnost punjenja je jednaka 93%, a efikasnost pražnjenja do 100%. Na – 20
o
C, ovi faktori
postaju 75 i 95%. Za Ni-Cd baterije stopa se povećava za 8%. Treba napomenuti da broj
mogućih ciklusa na datoj temperaturi jako zavisi o dubini pražnjenja. Brojke su slične za Ni-Cd
i Ni-MH baterije, ali dvostruko manje za Li-ion i Li polimerske baterije.
8.5.4. Ekonomija i okoliš
Cijena cijelog fotonaponskog sistema u velikoj mjeri zavisi o veličini sistema, lokaciji, planiranoj
aplikaciji i od toga da li je sistem povezan u mrežu ili se koristi za samostalne aplikacije.
Dodatne komponente potrebne za efektivnu eksploataciju fotonaponskih modula mogu
predstavljati neznatan doprinos u ukupnom trošku fotonaponskog sistema. Ovaj doprinos se
UVOD U ENERGETIKU
83
kreće od oko 20% u slučaju aplikacija povezanih u mrežu na oko 70% u slučaju samostalnih
sistema. Za samostalne aplikacije, cijene instaliranih kapaciteta su se kretale između 10 i 20
$/W u 2005. godini, prosječne cijene aplikacije su bile od 5,5-6,5 $/W, ali niže cijene mogu biti
dobivene za velike aplikacije. Rad i održavanje sistema su jeftini, a glavni ekonomski problem
sa fotonaponskim sistemima je zahtjev za relativno velikim početnim ulaganjima. Iako se
fotonaponski modul može koristiti 30-40 godina, akumulatori koji se koriste u samostalnim
aplikacijama moraju se redovno mijenjati. Ova potreba značajno povećava troškove
fotonaponske energije. Dobro održavane olovne baterije mogu trajati skoro deceniju, dok se
neke mijenjaju nakon 5 godina. Posebno je efikasno koristiti fotonaponske module u slučaju
kada je većina električne energije koja dolazi iz mreže proizvedena korištenjem fosilnih goriva,
posebno nafte. Gruba procjena za SAD, gdje veliki dio električne energije dolazi iz
termoelektrana na ugalj, svaki vršni kilovat instalirane fotonaponske snage bi smanjio između
600 i 2.300 kg emitovanog CO2 .Pored toga to bi također dovelo do redukcije od 16 kg NOX, 9
kg SOx i 0,6 kg čestica.
83
kreće od oko 20% u slučaju aplikacija povezanih u mrežu na oko 70% u slučaju samostalnih
sistema. Za samostalne aplikacije, cijene instaliranih kapaciteta su se kretale između 10 i 20
$/W u 2005. godini, prosječne cijene aplikacije su bile od 5,5-6,5 $/W, ali niže cijene mogu biti
dobivene za velike aplikacije. Rad i održavanje sistema su jeftini, a glavni ekonomski problem
sa fotonaponskim sistemima je zahtjev za relativno velikim početnim ulaganjima. Iako se
fotonaponski modul može koristiti 30-40 godina, akumulatori koji se koriste u samostalnim
aplikacijama moraju se redovno mijenjati. Ova potreba značajno povećava troškove
fotonaponske energije. Dobro održavane olovne baterije mogu trajati skoro deceniju, dok se
neke mijenjaju nakon 5 godina. Posebno je efikasno koristiti fotonaponske module u slučaju
kada je većina električne energije koja dolazi iz mreže proizvedena korištenjem fosilnih goriva,
posebno nafte. Gruba procjena za SAD, gdje veliki dio električne energije dolazi iz
termoelektrana na ugalj, svaki vršni kilovat instalirane fotonaponske snage bi smanjio između
600 i 2.300 kg emitovanog CO2 .Pored toga to bi također dovelo do redukcije od 16 kg NOX, 9
kg SOx i 0,6 kg čestica.
UVOD U ENERGETIKU
84
Razlike između različitih položaja na površini zemlje i između različitih visina stvaraju razlike u
pritisku koje uzrokuju zračne struje koje poznajemo kao vjetar. Temperaturne razlike proizlaze
iz diferencijalnog sunčevog zagrijavanja zemlje, koje varira od regije do regije i doba dana.
Vjetar je obnovljiv, lako dostupan, bogat i čist izvor energije. Iskorištavanje energije vjetra je
najbrže rastući segment proizvodnje energije iz obnovljivih izvora. Ljudi već stoljećima koriste
snagu vjetra, pomoću vjetrenjača, koje su se pretežno koristile za ispumpavanje vode i
mljevenje žita. Energiju vjetra je moguće koristiti za generisanje električne energije. Zbog lošeg
ekološkog stanja i rastućih cijena nafte počela je veća potražnja za drugim izvorima energije,
gdje energija vjetra danas ima jednu od najvećih stopa rasta širom svijeta.
Vjetroelektrane su jedan od oblika obnovljivih izvora energije pokretane snagom vjetra, koje
označavaju niz blisko smještenih vjetroturbina. Većina tematike o vjetroelektranama u
današnje vrijeme se vrti oko razvoja i izgradnje vjetroelektrana - traženje dozvola, proračuna
potencijala vjetra na osnovu kojeg se određuju tačne lokacije pojedinih vjetroagregata.
Dijelovi od kojih je vjetroelektrana sastavljena su nosive konstrukcije u obliku stuba,
vjetroturbina, generator električne struje, automatska regulacija broja okretaja, odnosno
napona generatora. Također, moguć je i priključak vjetroelektrana na sistem za akumuliranje
energije ili na regionalnu električnu mrežu.
Vjetar je horizontalno strujanje atmosferskog zraka koje nastaje uslijed razlika u gustoći
zračnih masa. On struji sa mjesta veće gustoće na mjesto manje gustoće i traje dok se gustoće
ne izjednače. Vjetar je veoma nepredvidiva prirodna pojava i njegova snaga je vrlo
promjenljiva. Uprkos njegovoj nepredvidivosti, na određenim mjestima Zemljine površine,
energiju vjetra je ipak moguće koristiti za proizvodnju električne energije.
9.1. HISTORIJA KORIŠTENJA ENERGIJE VJETRA
Početak korištenja energije vjetra kreće u doba kada su ljudi prvi put postavili jedra na brodove
i tako omogućili daleka putovanja i isto tako odlučili svoje živote povjeriti u ruke tog
nepredvidljivog izvora enerije. Može se reći da je na neki način vjetar bio taj koji je pokrenuo
doba istraživanja i omogućio prenos robe i dobara u neograničenim količinama na velike
udaljenosti.
Prvo poznato korištenje energije vjetra započeli su Egipćani prije otprilike 3.500 godina.
Izgradili su brodove koji su se pokretali kvadratnim jedrima kako bi plovili Nilom. Ta su jedra
funkcionisala samo s vjetrom u pozadini. Promjene oblika i strukture jedara uskoro su
dopustile plovidbu vjetrom širom okeana. S takvim brodovima postalo je moguće istraživati
udaljene regije i razvijati trgovinu s drugim regijama.
Prve mašine koje su se koristile za izvlačenje energije iz vjetra na zemlji bile su mašine sa
vertikalnom osovinom. Čini se da je njihova prva veća upotreba bila krajem šestog stoljeća u
regiji koja danas pripada državama Iran i Afganistan. U azijskim civilizacijama Kine, Tibeta,
Indije, Perzije i Afganistana, energija vjetra se uglavnom koristila za pumpanje vode i
navodnjavanje polja. Najraniji poznati slučaj korištenja energije vjetra za pokretanje mašine
putem rotora je "vjetreni rotor" Grčkog inženjera Herona Aleksandrijskog.
84
Razlike između različitih položaja na površini zemlje i između različitih visina stvaraju razlike u
pritisku koje uzrokuju zračne struje koje poznajemo kao vjetar. Temperaturne razlike proizlaze
iz diferencijalnog sunčevog zagrijavanja zemlje, koje varira od regije do regije i doba dana.
Vjetar je obnovljiv, lako dostupan, bogat i čist izvor energije. Iskorištavanje energije vjetra je
najbrže rastući segment proizvodnje energije iz obnovljivih izvora. Ljudi već stoljećima koriste
snagu vjetra, pomoću vjetrenjača, koje su se pretežno koristile za ispumpavanje vode i
mljevenje žita. Energiju vjetra je moguće koristiti za generisanje električne energije. Zbog lošeg
ekološkog stanja i rastućih cijena nafte počela je veća potražnja za drugim izvorima energije,
gdje energija vjetra danas ima jednu od najvećih stopa rasta širom svijeta.
Vjetroelektrane su jedan od oblika obnovljivih izvora energije pokretane snagom vjetra, koje
označavaju niz blisko smještenih vjetroturbina. Većina tematike o vjetroelektranama u
današnje vrijeme se vrti oko razvoja i izgradnje vjetroelektrana - traženje dozvola, proračuna
potencijala vjetra na osnovu kojeg se određuju tačne lokacije pojedinih vjetroagregata.
Dijelovi od kojih je vjetroelektrana sastavljena su nosive konstrukcije u obliku stuba,
vjetroturbina, generator električne struje, automatska regulacija broja okretaja, odnosno
napona generatora. Također, moguć je i priključak vjetroelektrana na sistem za akumuliranje
energije ili na regionalnu električnu mrežu.
Vjetar je horizontalno strujanje atmosferskog zraka koje nastaje uslijed razlika u gustoći
zračnih masa. On struji sa mjesta veće gustoće na mjesto manje gustoće i traje dok se gustoće
ne izjednače. Vjetar je veoma nepredvidiva prirodna pojava i njegova snaga je vrlo
promjenljiva. Uprkos njegovoj nepredvidivosti, na određenim mjestima Zemljine površine,
energiju vjetra je ipak moguće koristiti za proizvodnju električne energije.
9.1. HISTORIJA KORIŠTENJA ENERGIJE VJETRA
Početak korištenja energije vjetra kreće u doba kada su ljudi prvi put postavili jedra na brodove
i tako omogućili daleka putovanja i isto tako odlučili svoje živote povjeriti u ruke tog
nepredvidljivog izvora enerije. Može se reći da je na neki način vjetar bio taj koji je pokrenuo
doba istraživanja i omogućio prenos robe i dobara u neograničenim količinama na velike
udaljenosti.
Prvo poznato korištenje energije vjetra započeli su Egipćani prije otprilike 3.500 godina.
Izgradili su brodove koji su se pokretali kvadratnim jedrima kako bi plovili Nilom. Ta su jedra
funkcionisala samo s vjetrom u pozadini. Promjene oblika i strukture jedara uskoro su
dopustile plovidbu vjetrom širom okeana. S takvim brodovima postalo je moguće istraživati
udaljene regije i razvijati trgovinu s drugim regijama.
Prve mašine koje su se koristile za izvlačenje energije iz vjetra na zemlji bile su mašine sa
vertikalnom osovinom. Čini se da je njihova prva veća upotreba bila krajem šestog stoljeća u
regiji koja danas pripada državama Iran i Afganistan. U azijskim civilizacijama Kine, Tibeta,
Indije, Perzije i Afganistana, energija vjetra se uglavnom koristila za pumpanje vode i
navodnjavanje polja. Najraniji poznati slučaj korištenja energije vjetra za pokretanje mašine
putem rotora je "vjetreni rotor" Grčkog inženjera Herona Aleksandrijskog.
UVOD U ENERGETIKU
85
Slika 9.1. Vjetreni rotor Herona Aleksandrijskog
Promjenu u tehnologiji napravili su Arapi, koji su uveli mašine sa horizontalnom osovinom. Za
vrijeme križarskih ratova Europljani su posmatrali te mašine i vratili tu ideju u Europu. Oko
jedanaestog stoljeća u Europi su uvedene horizontalne mašine koje se sastoje od kule i četiri
lopatice. Uglavnom su se koristili za mljevenje žita. Zbog toga su ih nazvali vjetrenjačama, što
se i danas koristi. Do osamnaestog stoljeća ova europska tehnologija, također poznata pod
nazivom "Nizozemska vjetrenjača" bila je dobro razvijena u Europi i koristilo se približno 8.000
ovakvih vjetrenjača u Nizozemskoj, a preko 10.000 u Njemačkoj. Do 1900. godine Danska je
imala oko 2.500 instaliranih vjetrenjača (vodene pumpe i mlinovi), koje su obavljale mehanički
rad. Po procjenama su imale ukupnu snagu od 30 MW. Krajem 19. i početkom 20. stoljeća,
SAD je imao oko 6 milona malih vjetrenjača koje su bile instalirane na farmama kako bi se
pokretale pumpe za navodnjavanje. Niz istočne obale u Sjevernoj Americi također je izgrađeno
dosta nizozemskih vjetrenjača. Vjetrenjače i vodenice su bili prvi uređaji na obnovljivu
energiju, koji su proizvodile koristan rad, zamjenjujući pri tome rad životinja ili muškaraca.
Prvi vjetroagregat koji je proizvodio električnu energiju izrađen je u Škotskoj 1887. godine.
Vjetroagregat prof. Jamesa Blytha bio je visok 10 metara i sastojao se od platnenih jedara.
Svrha mu je bila punjenje akumulatora koji su davali energiju kako bi se osvijetlila njegova
koliba. Njegova koliba je postala prva kuća na svijetu koja se napajala pomoću električne
energije dobivene iz energije vjetra. Te iste godine dizajniran je i konstruiran veći i bolji
vjetroagregat od strane inženjerske firme Charlesa F.Brusha u Clevelandu. Vjetroagregat je
postavljen kod njegove kuće, a radio je do 1900.godine. Promjer rotora vjetroagregata iznosio
je 17 metara, a postavljen je na stup visok 18 metara. Sastojao se od 144 lopatice, broj okretaja
mu je bio relativno mali, a unatoč veličini, proizvodio je maksimalnu snagu od 12 kW.
Generator je bio u mogućnosti pokretati do 100 žarulja, puniti akumulatorske baterije te
pokretati neke od mašina u laboratoriji.
85
Slika 9.1. Vjetreni rotor Herona Aleksandrijskog
Promjenu u tehnologiji napravili su Arapi, koji su uveli mašine sa horizontalnom osovinom. Za
vrijeme križarskih ratova Europljani su posmatrali te mašine i vratili tu ideju u Europu. Oko
jedanaestog stoljeća u Europi su uvedene horizontalne mašine koje se sastoje od kule i četiri
lopatice. Uglavnom su se koristili za mljevenje žita. Zbog toga su ih nazvali vjetrenjačama, što
se i danas koristi. Do osamnaestog stoljeća ova europska tehnologija, također poznata pod
nazivom "Nizozemska vjetrenjača" bila je dobro razvijena u Europi i koristilo se približno 8.000
ovakvih vjetrenjača u Nizozemskoj, a preko 10.000 u Njemačkoj. Do 1900. godine Danska je
imala oko 2.500 instaliranih vjetrenjača (vodene pumpe i mlinovi), koje su obavljale mehanički
rad. Po procjenama su imale ukupnu snagu od 30 MW. Krajem 19. i početkom 20. stoljeća,
SAD je imao oko 6 milona malih vjetrenjača koje su bile instalirane na farmama kako bi se
pokretale pumpe za navodnjavanje. Niz istočne obale u Sjevernoj Americi također je izgrađeno
dosta nizozemskih vjetrenjača. Vjetrenjače i vodenice su bili prvi uređaji na obnovljivu
energiju, koji su proizvodile koristan rad, zamjenjujući pri tome rad životinja ili muškaraca.
Prvi vjetroagregat koji je proizvodio električnu energiju izrađen je u Škotskoj 1887. godine.
Vjetroagregat prof. Jamesa Blytha bio je visok 10 metara i sastojao se od platnenih jedara.
Svrha mu je bila punjenje akumulatora koji su davali energiju kako bi se osvijetlila njegova
koliba. Njegova koliba je postala prva kuća na svijetu koja se napajala pomoću električne
energije dobivene iz energije vjetra. Te iste godine dizajniran je i konstruiran veći i bolji
vjetroagregat od strane inženjerske firme Charlesa F.Brusha u Clevelandu. Vjetroagregat je
postavljen kod njegove kuće, a radio je do 1900.godine. Promjer rotora vjetroagregata iznosio
je 17 metara, a postavljen je na stup visok 18 metara. Sastojao se od 144 lopatice, broj okretaja
mu je bio relativno mali, a unatoč veličini, proizvodio je maksimalnu snagu od 12 kW.
Generator je bio u mogućnosti pokretati do 100 žarulja, puniti akumulatorske baterije te
pokretati neke od mašina u laboratoriji.
UVOD U ENERGETIKU
86
Slika 9.2. Vjetroagregat Charlesa Brusha
Upotreba vjetroagregata je bila veoma rasprostranjena, pa su tako u Danskoj do 1908. bila
postavljena 72 vjetroagregata snage od 5 do 25 kW, sa promjerom lopatica od 23 m i visinom
stuba od 24 m. Firma Jacobs Wind osnovana u SAD-u 1927. godine, počela se baviti
proizvodnjom vjetroagregata za korištenje na farmama. Koristili su se za rasvjetu i punjenje
akumulatora na farmama kojima je bila udaljena elektroenergetska mreža. U slijedećih 30
godina proizvodnja vjetroagregata je stalno rasla i dostigla brojku od 30.000. Vjetroagregati
su bili rasprostranjeni čak i u zabačenim dijelovima Afrike i na Antarktici.
Darius je 1931. godine izumio vjetroagregat sa vertikalnom osom vrtnje, koji se bitno
razlikovao od vjetroagregata sa horizontalnom osom vrtnje. Njegov vjetroagregat je
omogućavao korištenje vjetra iz svih smjerova. Nije potreban sistem za zakretanje, a umjesto
na vrh stuba vjetroagregata, generator i mjenjačka kutija mogu se postaviti na nivo zemlje.
Vjetroagregat Smith-Putnam je prvi vjetroagregat snage preko 1 MW. Spojen je na mrežu
1941. godine na planini Grandpa's Knop u Castletonu (SAD).
Slika 9.3. Smith-Putnam vjetroagregat
86
Slika 9.2. Vjetroagregat Charlesa Brusha
Upotreba vjetroagregata je bila veoma rasprostranjena, pa su tako u Danskoj do 1908. bila
postavljena 72 vjetroagregata snage od 5 do 25 kW, sa promjerom lopatica od 23 m i visinom
stuba od 24 m. Firma Jacobs Wind osnovana u SAD-u 1927. godine, počela se baviti
proizvodnjom vjetroagregata za korištenje na farmama. Koristili su se za rasvjetu i punjenje
akumulatora na farmama kojima je bila udaljena elektroenergetska mreža. U slijedećih 30
godina proizvodnja vjetroagregata je stalno rasla i dostigla brojku od 30.000. Vjetroagregati
su bili rasprostranjeni čak i u zabačenim dijelovima Afrike i na Antarktici.
Darius je 1931. godine izumio vjetroagregat sa vertikalnom osom vrtnje, koji se bitno
razlikovao od vjetroagregata sa horizontalnom osom vrtnje. Njegov vjetroagregat je
omogućavao korištenje vjetra iz svih smjerova. Nije potreban sistem za zakretanje, a umjesto
na vrh stuba vjetroagregata, generator i mjenjačka kutija mogu se postaviti na nivo zemlje.
Vjetroagregat Smith-Putnam je prvi vjetroagregat snage preko 1 MW. Spojen je na mrežu
1941. godine na planini Grandpa's Knop u Castletonu (SAD).
Slika 9.3. Smith-Putnam vjetroagregat
UVOD U ENERGETIKU
87
Snaga ovog agregata je bila 1,25 MW i imao je 1.100 radnih sati. Prestao je sa radom zbog
puknuća lopatice. Do puknuća je došlo zbog nedovoljnog ojačanja na slaboj tački zbog
nedostaka materijala. Zbog ovakve tragedije su se tek nakon 40 godina počeli postavljati novi
vjetroagregati sličnih dimenzija i snaga.
Krajem osamnaestog stoljeća upotreba mašina na paru i drugih mašina baziranih na
termodinamičkim procesima i dostupnosti fosilnih goriva dovela je do smanjenja interesa za
mašine na vjetar. Kao posljedica toga, generiranje energije vjetra postupno se smanjivalo
tokom posljednja dva stoljeća, iako se određena istraživanja i razvoj na tom polju nastavljaju.
Međutim, posljednih 15 godina energija vjetra ponovo dolazi do svoje rastuće faze.
9.2. NASTANAK I PRINCIPI ISKORIŠTAVANJA VJETRA
Vjetar je strujanje gasova u velikom obimu. Na površini planete Zemlje, vjetar se sastoji iz
velikih pokreta zračnih masa. Pojam vjetra u svemiru, označava prvenstveno Sunčev vjetar,
koji se sastoji iz kretanja gasova ili naelektrisanih čestica sa Sunca kroz svemir, dok se pod
pojmom planetarni vjetar podrazumijeva ispuštanje lakših hemijskih elemenata iz atmosfere
planete u svemir. Vjetrovi na Zemlji su obično podijeljeni po njihovoj prostornoj skali, brzini,
vrsti sila koje ih izazivaju, području u kojima pušu i efektima koje izazivaju. Najsnažniji vjetrovi
na planetama u Sunčevom sistemu izmjereni su na Neptunu i Saturnu. Vjetrovi imaju različite
aspekte; jedan od najvažnijih je njihova brzina, osim toga važna je i gustoća gasova koji su
uključeni, te sadržaj energije odnosno energija vjetra.
Energija vjetra je transformirani oblik Sunčeve energije. Sunce neravnomjerno zagrijava
različite dijelove Zemlje i to rezultira različitim pritiscima zraka, a vjetar nastaje zbog težnje za
izjednačavanjem pritisaka zraka. Postoje dijelovi Zemlje na kojima pušu takozvani stalni
vjetrovi i na tim područjima je iskorištavanje energije vjetra najisplativije. Dobre pozicije su
obale oceana i pučina mora. Pučina se ističe kao najbolja pozicija zbog stalnosti vjetrova, ali
cijene instalacije i transporta energije prave problem takvoj eksploataciji.
Kod pretvaranja kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju (pokretanje generatora)
iskorištava se samo razlika brzine vjetra na ulazu i na izlazu. Albert Betz, njemački fizičar dao
je još davne 1919. godine zakon energije vjetra, a koji je publiciran 1926. godine u knjizi “Wind-
Energie”. Njime je dat kvalitativni aspekt znanja iz mogućnosti iskorištavanja energije vjetra i
turbina na vjetar. Njegov zakon kaže da možemo pretvoriti manje od 16/27 ili pripližno 59 %
kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju pomoću turbine na vjetar.
Kao dobre strane iskorištavanja energije vjetra ističu se visoka pouzdanost rada postrojenja,
nema troškova za gorivo i nema zagađivanja okoline. Loše strane su visoki troškovi izgradnje i
promjenjivost brzine vjetra (ne može se garantirati isporučivanje energije). Za domaćinstva
vrlo su interesantne male vjetroturbine snage do nekoliko desetaka kW. One se mogu koristiti
kao dodatni izvor energije ili kao primarni izvor energije u udaljenim područjima. Kad se koriste
kao primarni izvor energije nužno im se dodaju baterije (akumulatori) u koje se energija
sprema kad se generira više od potrošnje. Velike vjetroturbine se često instaliraju u vjetropark
te se preko transformatora spajaju na električnu mrežu.
87
Snaga ovog agregata je bila 1,25 MW i imao je 1.100 radnih sati. Prestao je sa radom zbog
puknuća lopatice. Do puknuća je došlo zbog nedovoljnog ojačanja na slaboj tački zbog
nedostaka materijala. Zbog ovakve tragedije su se tek nakon 40 godina počeli postavljati novi
vjetroagregati sličnih dimenzija i snaga.
Krajem osamnaestog stoljeća upotreba mašina na paru i drugih mašina baziranih na
termodinamičkim procesima i dostupnosti fosilnih goriva dovela je do smanjenja interesa za
mašine na vjetar. Kao posljedica toga, generiranje energije vjetra postupno se smanjivalo
tokom posljednja dva stoljeća, iako se određena istraživanja i razvoj na tom polju nastavljaju.
Međutim, posljednih 15 godina energija vjetra ponovo dolazi do svoje rastuće faze.
9.2. NASTANAK I PRINCIPI ISKORIŠTAVANJA VJETRA
Vjetar je strujanje gasova u velikom obimu. Na površini planete Zemlje, vjetar se sastoji iz
velikih pokreta zračnih masa. Pojam vjetra u svemiru, označava prvenstveno Sunčev vjetar,
koji se sastoji iz kretanja gasova ili naelektrisanih čestica sa Sunca kroz svemir, dok se pod
pojmom planetarni vjetar podrazumijeva ispuštanje lakših hemijskih elemenata iz atmosfere
planete u svemir. Vjetrovi na Zemlji su obično podijeljeni po njihovoj prostornoj skali, brzini,
vrsti sila koje ih izazivaju, području u kojima pušu i efektima koje izazivaju. Najsnažniji vjetrovi
na planetama u Sunčevom sistemu izmjereni su na Neptunu i Saturnu. Vjetrovi imaju različite
aspekte; jedan od najvažnijih je njihova brzina, osim toga važna je i gustoća gasova koji su
uključeni, te sadržaj energije odnosno energija vjetra.
Energija vjetra je transformirani oblik Sunčeve energije. Sunce neravnomjerno zagrijava
različite dijelove Zemlje i to rezultira različitim pritiscima zraka, a vjetar nastaje zbog težnje za
izjednačavanjem pritisaka zraka. Postoje dijelovi Zemlje na kojima pušu takozvani stalni
vjetrovi i na tim područjima je iskorištavanje energije vjetra najisplativije. Dobre pozicije su
obale oceana i pučina mora. Pučina se ističe kao najbolja pozicija zbog stalnosti vjetrova, ali
cijene instalacije i transporta energije prave problem takvoj eksploataciji.
Kod pretvaranja kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju (pokretanje generatora)
iskorištava se samo razlika brzine vjetra na ulazu i na izlazu. Albert Betz, njemački fizičar dao
je još davne 1919. godine zakon energije vjetra, a koji je publiciran 1926. godine u knjizi “Wind-
Energie”. Njime je dat kvalitativni aspekt znanja iz mogućnosti iskorištavanja energije vjetra i
turbina na vjetar. Njegov zakon kaže da možemo pretvoriti manje od 16/27 ili pripližno 59 %
kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju pomoću turbine na vjetar.
Kao dobre strane iskorištavanja energije vjetra ističu se visoka pouzdanost rada postrojenja,
nema troškova za gorivo i nema zagađivanja okoline. Loše strane su visoki troškovi izgradnje i
promjenjivost brzine vjetra (ne može se garantirati isporučivanje energije). Za domaćinstva
vrlo su interesantne male vjetroturbine snage do nekoliko desetaka kW. One se mogu koristiti
kao dodatni izvor energije ili kao primarni izvor energije u udaljenim područjima. Kad se koriste
kao primarni izvor energije nužno im se dodaju baterije (akumulatori) u koje se energija
sprema kad se generira više od potrošnje. Velike vjetroturbine se često instaliraju u vjetropark
te se preko transformatora spajaju na električnu mrežu.
UVOD U ENERGETIKU
88
Slika 9.4. Priključak vjetrenjača na električnu mrežu
Iskorištavanje energije vjetra je najbrže rastući segment proizvodnje energije iz obnovljivih
izvora. U zadnjih nekoliko godina vjetroturbine znatno su poboljšane. Najbolji primjer je
njemačko tržište turbina na kojemu se prosječna snaga od 470 kW 1995. godine povećala na
1.280 kW 2001. godine. Ovo povećanje snage postiglo se odgovarajućim povećavanjem
veličine turbina pokrenutih vjetrom. Trenutno su u razvoju turbine koje će moći generirati
snagu između 3 i 5 MW. Neki proizvođači već su predstavili svoje prototipove u tom periodu
snage (njemačka firma Enercon trebala bi proizvesti turbinu snage 4,5 MW).
Globalno gledajući, smatra se da dugoročni tehnički potencijal energije vjetra je zapravo pet
puta veći od konačne svjetske proizvodnje energije, tj. da je 40 puta veći od trenutne potražnje
energije. To bi moglo zahtijevati veliku količinu tla za izgradnju vjetroturbina, posebno u
područjima s većim izvorima vjetra. Iskustva s priobalnim izvorima ukazuju na to da je tamo
brzina vjetra približno 90% veća od one na kopnu, pa bi tako priobalni izvori mogli pridonijeti
znatno više energije. Taj broj bi se također mogao povećati s povećanjem visine vjetroturbina
smještenih na kopnu ili na moru.
9.3. RAZVOJ ENERGIJE VJETRA
Sa trenutnom tehnologijom, brzina vjetra veća od 5 m/s je neophodna da bi iskorištavanje
energije vjetra bilo ekonomski opravdano. Glavni tehnički problemi iskorištavanja vjetra kao
izvora energije su da zrak koji nosi energiju vjetra ima malu gustinu (1.000 puta manju od vode)
i da vjetar ima osobinu nepredvidivosti i nepravilnosti. Kako snaga zavisi od trećeg stepena
brzine zraka, a brzina je ograničena lopaticama turbine, nepravilnost vjetra može dovesti do
ogromnih varijacija izlazne snage. Pored toga, ako je vjetar prejak, vjetroturbine moraju biti
zaustavljene; u suprotnom mogu biti uništene.
Kako je brzina vjetra promjenjiva, godišnja proizvodnja jednog vjetroparka nije zbir proizvoda
nazivne snage svih generatora i broja sati u godini. Odnos stvarno proizvedene i teorijski
najveće moguće proizvedene energije naziva se faktor opterećenja. Faktor opterećenja
uglavnom iznosi 20 do 40% u najboljim slučajevima.
88
Slika 9.4. Priključak vjetrenjača na električnu mrežu
Iskorištavanje energije vjetra je najbrže rastući segment proizvodnje energije iz obnovljivih
izvora. U zadnjih nekoliko godina vjetroturbine znatno su poboljšane. Najbolji primjer je
njemačko tržište turbina na kojemu se prosječna snaga od 470 kW 1995. godine povećala na
1.280 kW 2001. godine. Ovo povećanje snage postiglo se odgovarajućim povećavanjem
veličine turbina pokrenutih vjetrom. Trenutno su u razvoju turbine koje će moći generirati
snagu između 3 i 5 MW. Neki proizvođači već su predstavili svoje prototipove u tom periodu
snage (njemačka firma Enercon trebala bi proizvesti turbinu snage 4,5 MW).
Globalno gledajući, smatra se da dugoročni tehnički potencijal energije vjetra je zapravo pet
puta veći od konačne svjetske proizvodnje energije, tj. da je 40 puta veći od trenutne potražnje
energije. To bi moglo zahtijevati veliku količinu tla za izgradnju vjetroturbina, posebno u
područjima s većim izvorima vjetra. Iskustva s priobalnim izvorima ukazuju na to da je tamo
brzina vjetra približno 90% veća od one na kopnu, pa bi tako priobalni izvori mogli pridonijeti
znatno više energije. Taj broj bi se također mogao povećati s povećanjem visine vjetroturbina
smještenih na kopnu ili na moru.
9.3. RAZVOJ ENERGIJE VJETRA
Sa trenutnom tehnologijom, brzina vjetra veća od 5 m/s je neophodna da bi iskorištavanje
energije vjetra bilo ekonomski opravdano. Glavni tehnički problemi iskorištavanja vjetra kao
izvora energije su da zrak koji nosi energiju vjetra ima malu gustinu (1.000 puta manju od vode)
i da vjetar ima osobinu nepredvidivosti i nepravilnosti. Kako snaga zavisi od trećeg stepena
brzine zraka, a brzina je ograničena lopaticama turbine, nepravilnost vjetra može dovesti do
ogromnih varijacija izlazne snage. Pored toga, ako je vjetar prejak, vjetroturbine moraju biti
zaustavljene; u suprotnom mogu biti uništene.
Kako je brzina vjetra promjenjiva, godišnja proizvodnja jednog vjetroparka nije zbir proizvoda
nazivne snage svih generatora i broja sati u godini. Odnos stvarno proizvedene i teorijski
najveće moguće proizvedene energije naziva se faktor opterećenja. Faktor opterećenja
uglavnom iznosi 20 do 40% u najboljim slučajevima.
UVOD U ENERGETIKU
89
Električna energija dobivena iz energije vjetra varira iz sata u sat, dnevno i sezonski. Postoje i
godišnje varijacije, ali nisu toliko značajne. Poput drugih izvora električne energije, energija
vjetra mora biti prema određenom rasporedu potrošnje. Zbog toga se koriste metode
prognoziranja snage vjetra, ali predviđanje iznosa dobivene energije iz vjetra nije uvijek
najpouzdanija metoda.
Zanimanje za energiju vjetra je dramatično obnovljeno u 1970-im u vrijeme naftne krize. Već
1990. godine, ukupna instalirana svjetska energija vjetra je bila 2 GW. Između 1996. i 2001.
godine stopa rasta je blizu 40% godišnje. Instalirana snaga je prešla 48 GW do kraja 2004.
godine, 59 GW 2005. godine i 94 GW na kraju 2007. godine.
Slika 9.5. Instalirani kapaciteti između 1996. i 2008. godine
Iako je Evropa još uvijek lider u uslovima cjelokupnog instaliranog kapaciteta, postoji mnogo
novih instalacija i van Evrope. Već 2007. godine Sjedinjene Američke Države su vodeće sa čak
26,4 % novog kapaciteta.
Slika 9.6. Novi instalirani kapaciteti
Skoro 60% današnjeg svjetskog kapaciteta je instalirano u tri države. Njemačka je vodeća na
listi, zatim SAD i Španija. Snažan razvoj u nekim evropskim zemljama je zbog činjenice da
postoje znatne subvencije od vlade.
89
Električna energija dobivena iz energije vjetra varira iz sata u sat, dnevno i sezonski. Postoje i
godišnje varijacije, ali nisu toliko značajne. Poput drugih izvora električne energije, energija
vjetra mora biti prema određenom rasporedu potrošnje. Zbog toga se koriste metode
prognoziranja snage vjetra, ali predviđanje iznosa dobivene energije iz vjetra nije uvijek
najpouzdanija metoda.
Zanimanje za energiju vjetra je dramatično obnovljeno u 1970-im u vrijeme naftne krize. Već
1990. godine, ukupna instalirana svjetska energija vjetra je bila 2 GW. Između 1996. i 2001.
godine stopa rasta je blizu 40% godišnje. Instalirana snaga je prešla 48 GW do kraja 2004.
godine, 59 GW 2005. godine i 94 GW na kraju 2007. godine.
Slika 9.5. Instalirani kapaciteti između 1996. i 2008. godine
Iako je Evropa još uvijek lider u uslovima cjelokupnog instaliranog kapaciteta, postoji mnogo
novih instalacija i van Evrope. Već 2007. godine Sjedinjene Američke Države su vodeće sa čak
26,4 % novog kapaciteta.
Slika 9.6. Novi instalirani kapaciteti
Skoro 60% današnjeg svjetskog kapaciteta je instalirano u tri države. Njemačka je vodeća na
listi, zatim SAD i Španija. Snažan razvoj u nekim evropskim zemljama je zbog činjenice da
postoje znatne subvencije od vlade.
UVOD U ENERGETIKU
90
9.4. BRZINA VJETRA
Vjetar je određen brzinom, smjerom i jačinom. Brzina vjetra mjeri se pomoću anemometra a
izražava se jedinicom za brzinu: metrima u sekundi, kilometrima na sat, čvorovima ili
specijaliziranom jedinicom – beaufort. Brzina vjetra jako varira pa zbog toga kod predviđanja
ponašanja vjetra na određenom mjestu koriste se podaci dobiveni mjerenjem. Brzinu mjerimo
aproksimativno, Rayleigh-ovom raspodjelom. Minimalna brzina kod koje je moguće
proizvoditi električnu energiju je 3,6 m/s.
Dobre lokacije za vjetroturbine su na otvorenim uzvišenjima, nizinama i uz duž obala, gdje je
brzina vjetra najveća. Na vjetrovitoj strani zgrada ili planina, zrak se komprimira i njegova se
brzina između prepreka znatno povećava. Ta pojava je poznata pod nazivom „efekt tunela“.
Slika 9.7. Brzina vjetra u zavisnosti od visine
Šume i veliki gradovi više će usporiti vjetar, dok će velike betonske površine na aerodromima
tek neznatno uticati na brzinu vjetra. Na velikim visinama površina Zemlje ne utiče previše na
brzinu vjetra dok u nižim slojevima atmosfere veliki uticaj ima trenje s površinom Zemlje.
Projektanti vjetroelektrana moraju poznavati informacije o promjenama brzine vjetra jer se
time smanjuju troškovi izgradnje i sama elektrana ima veću korist.
9.5. VJETROTURBINE
Vjetroturbine ili vjetrene turbine su energetske mašine koje pretvaraju kinetičku energiju
vjetra u mehanički rad, ponajprije za pogon električnih generatora ili vjetroagregata
(vjetroturbina + električni generator). Ona je glavni dio vjetroelektrane, a razvila se iz
vjetrenjače usavršavanjem konstrukcije lopatica, što je omogućilo postizanje većih snaga uz
bolju iskoristivost.
U osnovi se razlikuju turbine s okomitim i s vodoravnim vratilom. Turbine s vodoravnim
vratilom mogu biti s jednom, dvije ili tri aerodinamički oblikovane lopatice, takozvanim krilima
(brzohodne turbine, kakve se danas najviše upotrebljavaju), ili s nizom jednostavnije
oblikovanih lopatica koje čine rotor (sporohodne turbine, prikladne samo za pogon
mehaničkih strojeva, ne i električnih generatora). Rad turbina s okomitim vratilom može biti
zasnovan na otporu što ga vjetru pružaju zakrivljene lopatice (na primjer Savonius-ova
turbina), ili na načelu aerodinamičnoga uzgona profiliranih krila (na primjer Darrieus-ova
turbina); primjenljivost takvih turbina tek se istražuje. U osnovi, vjetroturbine mogu raditi na
90
9.4. BRZINA VJETRA
Vjetar je određen brzinom, smjerom i jačinom. Brzina vjetra mjeri se pomoću anemometra a
izražava se jedinicom za brzinu: metrima u sekundi, kilometrima na sat, čvorovima ili
specijaliziranom jedinicom – beaufort. Brzina vjetra jako varira pa zbog toga kod predviđanja
ponašanja vjetra na određenom mjestu koriste se podaci dobiveni mjerenjem. Brzinu mjerimo
aproksimativno, Rayleigh-ovom raspodjelom. Minimalna brzina kod koje je moguće
proizvoditi električnu energiju je 3,6 m/s.
Dobre lokacije za vjetroturbine su na otvorenim uzvišenjima, nizinama i uz duž obala, gdje je
brzina vjetra najveća. Na vjetrovitoj strani zgrada ili planina, zrak se komprimira i njegova se
brzina između prepreka znatno povećava. Ta pojava je poznata pod nazivom „efekt tunela“.
Slika 9.7. Brzina vjetra u zavisnosti od visine
Šume i veliki gradovi više će usporiti vjetar, dok će velike betonske površine na aerodromima
tek neznatno uticati na brzinu vjetra. Na velikim visinama površina Zemlje ne utiče previše na
brzinu vjetra dok u nižim slojevima atmosfere veliki uticaj ima trenje s površinom Zemlje.
Projektanti vjetroelektrana moraju poznavati informacije o promjenama brzine vjetra jer se
time smanjuju troškovi izgradnje i sama elektrana ima veću korist.
9.5. VJETROTURBINE
Vjetroturbine ili vjetrene turbine su energetske mašine koje pretvaraju kinetičku energiju
vjetra u mehanički rad, ponajprije za pogon električnih generatora ili vjetroagregata
(vjetroturbina + električni generator). Ona je glavni dio vjetroelektrane, a razvila se iz
vjetrenjače usavršavanjem konstrukcije lopatica, što je omogućilo postizanje većih snaga uz
bolju iskoristivost.
U osnovi se razlikuju turbine s okomitim i s vodoravnim vratilom. Turbine s vodoravnim
vratilom mogu biti s jednom, dvije ili tri aerodinamički oblikovane lopatice, takozvanim krilima
(brzohodne turbine, kakve se danas najviše upotrebljavaju), ili s nizom jednostavnije
oblikovanih lopatica koje čine rotor (sporohodne turbine, prikladne samo za pogon
mehaničkih strojeva, ne i električnih generatora). Rad turbina s okomitim vratilom može biti
zasnovan na otporu što ga vjetru pružaju zakrivljene lopatice (na primjer Savonius-ova
turbina), ili na načelu aerodinamičnoga uzgona profiliranih krila (na primjer Darrieus-ova
turbina); primjenljivost takvih turbina tek se istražuje. U osnovi, vjetroturbine mogu raditi na
UVOD U ENERGETIKU
91
dva načina iskorištavanje energije vjetra, pa se zato i osnovna podjela svodi na podjelu prema
tim svojstvima. Tako imamo:
• vjetroturbine koje rade na svojstvu otpornog djelovanja,
• vjetroturbine koje rade na principu potiska i
• vjetroturbine koje rade na kombiniranju oba načina.
Vjetroturbine koje rade na način otpornog djelovanja imaju manju iskoristivost od vjetrenjača
koje rade na način potiska, zbog čega se danas pretežito koriste vjetroturbine koje rade na
potisak ili koje rade na način kombiniranja oba principa. Osim ove glavne podjele postoji još
niz podjela vjetroturbina, pa ih tako u ovisnosti prema nekim konstrukcijskim i radnim
karakteristikama razvrstavamo po:
• položaju osi turbinskog kola: vjetroturbine s vodoravnom osi i okomitom osi;
• omjeru brzine najudaljenije tačke rotora i brzine vjetra: brzohodne i sporohodne;
• broju lopatica: višelopatične, s nekoliko lopatica i s jednom lopaticom;
• veličini obrtnog momenta: visokomomentne i niskomomentne;
• načinu pokretanja: samokretne i nesamokretne;
• iskoristivosti pretvaranja energije vjetra u obrtni moment: nisko i visoko učinkovite;
• načinu okretanja rotora prema brzini vjetra: promjenjive i nepromjenjive.
Vjetar predstavlja kretanje mase zraka. Uzećemo u obzir regiju u prostoru kod koje
pretpostavljamo da je v brzina zraka konstantna. Tokom nekog vremena t, zrak se kreće do
rastojanja jednakog v·t. Masa zraka m po jedinici vremena koja prolazi kroz određeno
područje A okomito na brzinu vjetra je masa zraka sadržana u zapremini, V·A. Ako zrak ima
gustoću ρ (masa po jedinici zapremine), ukupna masa zraka koja prolazi kroz područje A je
samo m = ρ·V·A. Budući da je kinetička energija jednaka ½ m v
2
, daje se snaga P kao:
�=
1
2
??????????????????
3
Vidimo da je snaga vjetra P proporcionalna trećem stepenu brzine vjetra v. Ako se brzina
udvostruči, snaga se množi sa faktorom 8. Ova oštra zavisnost snage od brzine znači da male
brzine vjetra ne doprinose mnogo proizvodnji energije. Također, ovo naglo povećanje snage
brzinom vjetra znači da se moraju osigurati velike brzine vjetra ali takve da ipak ne oštete
vjetroturbine. Industrija vjetroturbine obično uzima da gustina zraka iznosi ρ = 1,225 kg/??????
3
.
Ovo odgovara gustini suhog zraka na nivou mora, pri 15 ⁰C i standardnom pritisku od 1atm. U
ovom slučaju, ako je površina izražena u metrima kvadratnim i ako je brzina vjetra 10 m/s,
snaga je 612,5 W/m
2
. Ipak, ova snaga ne može biti kompletno iskorištena zato što brzina vjetra
iza vjetroturbine nije smanjena na nulu, drugačije bi se zrak gomilao.
Prema Betzovom zakonu formulisanom 1919. maksimalna teoretska energija vjetra koja može
biti upotrebljena nezavisno od turbine je 16/27 dolazne kinetičke energije. U najboljim
slučajevima, 85% snage Betzovog limita može biti realizirano. Ovo varira zbog brzine vjetra.
�??????????????????=
16
27
(
1
2
??????????????????
3
)
91
dva načina iskorištavanje energije vjetra, pa se zato i osnovna podjela svodi na podjelu prema
tim svojstvima. Tako imamo:
• vjetroturbine koje rade na svojstvu otpornog djelovanja,
• vjetroturbine koje rade na principu potiska i
• vjetroturbine koje rade na kombiniranju oba načina.
Vjetroturbine koje rade na način otpornog djelovanja imaju manju iskoristivost od vjetrenjača
koje rade na način potiska, zbog čega se danas pretežito koriste vjetroturbine koje rade na
potisak ili koje rade na način kombiniranja oba principa. Osim ove glavne podjele postoji još
niz podjela vjetroturbina, pa ih tako u ovisnosti prema nekim konstrukcijskim i radnim
karakteristikama razvrstavamo po:
• položaju osi turbinskog kola: vjetroturbine s vodoravnom osi i okomitom osi;
• omjeru brzine najudaljenije tačke rotora i brzine vjetra: brzohodne i sporohodne;
• broju lopatica: višelopatične, s nekoliko lopatica i s jednom lopaticom;
• veličini obrtnog momenta: visokomomentne i niskomomentne;
• načinu pokretanja: samokretne i nesamokretne;
• iskoristivosti pretvaranja energije vjetra u obrtni moment: nisko i visoko učinkovite;
• načinu okretanja rotora prema brzini vjetra: promjenjive i nepromjenjive.
Vjetar predstavlja kretanje mase zraka. Uzećemo u obzir regiju u prostoru kod koje
pretpostavljamo da je v brzina zraka konstantna. Tokom nekog vremena t, zrak se kreće do
rastojanja jednakog v·t. Masa zraka m po jedinici vremena koja prolazi kroz određeno
područje A okomito na brzinu vjetra je masa zraka sadržana u zapremini, V·A. Ako zrak ima
gustoću ρ (masa po jedinici zapremine), ukupna masa zraka koja prolazi kroz područje A je
samo m = ρ·V·A. Budući da je kinetička energija jednaka ½ m v
2
, daje se snaga P kao:
�=
1
2
??????????????????
3
Vidimo da je snaga vjetra P proporcionalna trećem stepenu brzine vjetra v. Ako se brzina
udvostruči, snaga se množi sa faktorom 8. Ova oštra zavisnost snage od brzine znači da male
brzine vjetra ne doprinose mnogo proizvodnji energije. Također, ovo naglo povećanje snage
brzinom vjetra znači da se moraju osigurati velike brzine vjetra ali takve da ipak ne oštete
vjetroturbine. Industrija vjetroturbine obično uzima da gustina zraka iznosi ρ = 1,225 kg/??????
3
.
Ovo odgovara gustini suhog zraka na nivou mora, pri 15 ⁰C i standardnom pritisku od 1atm. U
ovom slučaju, ako je površina izražena u metrima kvadratnim i ako je brzina vjetra 10 m/s,
snaga je 612,5 W/m
2
. Ipak, ova snaga ne može biti kompletno iskorištena zato što brzina vjetra
iza vjetroturbine nije smanjena na nulu, drugačije bi se zrak gomilao.
Prema Betzovom zakonu formulisanom 1919. maksimalna teoretska energija vjetra koja može
biti upotrebljena nezavisno od turbine je 16/27 dolazne kinetičke energije. U najboljim
slučajevima, 85% snage Betzovog limita može biti realizirano. Ovo varira zbog brzine vjetra.
�??????????????????=
16
27
(
1
2
??????????????????
3
)
UVOD U ENERGETIKU
92
9.5.1. Princip rada
Vjetroturbina je obično spojena sa generatorom te se mehanička energija pretvara u
električnu. Spojnica može biti direktna ili preko zupčastog prenosnika koji povećava broj
obrtaja. Generator je montiran na vrhu tornja zajedno sa zupčastim prenosnikom, ako postoji,
i sa turbinom.
Slika 9.8. Princip proizvodnje električne energije iz turbine
Većina vjetroturbina većih veličina ima tri lopatice. Zbog povećanja dužine lopatica, umjesto
staklenih vlakana, koriste se karbonska vlakna. Vjetroturbina može proizvesti energiju pri
najmanjoj brzini vjetra od 3,6 m/s, ali zahtjeva brzinu iznad 5 m/s da bi bilo ekonomski
opravdano. Prosječna brzina vjetra od 10 m/s je obično prihvatljiva ali kao optimalnu brzinu
uzimamo brzinu od 15 m/s. Pošto izlazna snaga varira po kubu brzine vjetra, neophodno je
ograničiti izlaznu snagu u slučaju veoma jakih vjetrova da bi se spriječila mehanička šteta. Ovo
se može izvesti kontrolisanjem prednjeg dijela gondole na lopaticama ili korištenjem
aerodinamičnog efekta. Kontrolisanje prednjeg dijela gondole se uglavnom koristi za veće
vjetroturbine jer je mnogo uspješnije. Vjetroturbine sa dvije lopatice mogu izdržati jače
vjetrove, bure i oluje.
Sama proizvodnja električne energije pomoću vjetroturbina počinje tako što vjetar okreće
lopatice vjetroturbine pričvršćene na osovinu povezanu sa mjenjačkom kutijom. U mjenjačkoj
kutiji se pomoću mehanizma sa zupčanicima povećava brzina obrtanja osovine. Mjenjačka
kutija je s jedne strane spojena na osovinu turbine, a sa druge strane na osovinu velike brzine
obrtanja. Ta osovina okreće rotor generatora omogućavajući proizvodnju električne energije.
9.5.2. Vjetroagregat
Vjetroagregat je rotirajući stroj koji pretvara kinetičku energiju vjetra prvo u mehaničku, a
zatim preko električnih generatora u električnu energiju. Pri tome se rotor vjetroturbine i rotor
električnog generatora nalaze na istom vratilu. Vjetroagregat se sastoji od vjetroturbine i
vjetrogeneratora. Mnogi ga još nazivaju i vjetroelektrana, što nije sasvim tačno, pošto pojam
vjetroelektrana označava niz blisko smještenih vjetroagregata, najčešće istog tipa, izloženih
istom vjetru i priključenih posredstvom zajedničkog rasklopnog uređaja na električnu mrežu.
Dijelovi vjetroagregata su: generator, električni sistem, toranj, lopatice, prednji dio gondole,
glavni ležaj, glavna osovina, zupčanik, kočioni sistem, upravljenje i spojnica. Lopatice
vjetroagregata su u današnje vrijeme oblikovane poput krila aviona. Njih pokreće
92
9.5.1. Princip rada
Vjetroturbina je obično spojena sa generatorom te se mehanička energija pretvara u
električnu. Spojnica može biti direktna ili preko zupčastog prenosnika koji povećava broj
obrtaja. Generator je montiran na vrhu tornja zajedno sa zupčastim prenosnikom, ako postoji,
i sa turbinom.
Slika 9.8. Princip proizvodnje električne energije iz turbine
Većina vjetroturbina većih veličina ima tri lopatice. Zbog povećanja dužine lopatica, umjesto
staklenih vlakana, koriste se karbonska vlakna. Vjetroturbina može proizvesti energiju pri
najmanjoj brzini vjetra od 3,6 m/s, ali zahtjeva brzinu iznad 5 m/s da bi bilo ekonomski
opravdano. Prosječna brzina vjetra od 10 m/s je obično prihvatljiva ali kao optimalnu brzinu
uzimamo brzinu od 15 m/s. Pošto izlazna snaga varira po kubu brzine vjetra, neophodno je
ograničiti izlaznu snagu u slučaju veoma jakih vjetrova da bi se spriječila mehanička šteta. Ovo
se može izvesti kontrolisanjem prednjeg dijela gondole na lopaticama ili korištenjem
aerodinamičnog efekta. Kontrolisanje prednjeg dijela gondole se uglavnom koristi za veće
vjetroturbine jer je mnogo uspješnije. Vjetroturbine sa dvije lopatice mogu izdržati jače
vjetrove, bure i oluje.
Sama proizvodnja električne energije pomoću vjetroturbina počinje tako što vjetar okreće
lopatice vjetroturbine pričvršćene na osovinu povezanu sa mjenjačkom kutijom. U mjenjačkoj
kutiji se pomoću mehanizma sa zupčanicima povećava brzina obrtanja osovine. Mjenjačka
kutija je s jedne strane spojena na osovinu turbine, a sa druge strane na osovinu velike brzine
obrtanja. Ta osovina okreće rotor generatora omogućavajući proizvodnju električne energije.
9.5.2. Vjetroagregat
Vjetroagregat je rotirajući stroj koji pretvara kinetičku energiju vjetra prvo u mehaničku, a
zatim preko električnih generatora u električnu energiju. Pri tome se rotor vjetroturbine i rotor
električnog generatora nalaze na istom vratilu. Vjetroagregat se sastoji od vjetroturbine i
vjetrogeneratora. Mnogi ga još nazivaju i vjetroelektrana, što nije sasvim tačno, pošto pojam
vjetroelektrana označava niz blisko smještenih vjetroagregata, najčešće istog tipa, izloženih
istom vjetru i priključenih posredstvom zajedničkog rasklopnog uređaja na električnu mrežu.
Dijelovi vjetroagregata su: generator, električni sistem, toranj, lopatice, prednji dio gondole,
glavni ležaj, glavna osovina, zupčanik, kočioni sistem, upravljenje i spojnica. Lopatice
vjetroagregata su u današnje vrijeme oblikovane poput krila aviona. Njih pokreće
UVOD U ENERGETIKU
93
aerodinamički uzgon, i imaju prilično visok nivo pretvaranja energije vjetra u mehanički rad.
Koriste se 3 lopatice jer je to najpraktičnija i najisplativija konfiguracija, te je s vremenom
postala uobičajena za gotovo sve velike proizvođače vjetroagregata. Kod dvije (a pogotovo
jedne) lopatice brzina vrtnje je znatno veća, što ima mnogo negativnih posljedica u smislu
učinkovitosti i opće prihvaćenosti vjetroagregata.
Ovisno o tome kako reguliramo snagu, vjetroagregat može biti izveden na dva načina:
1. Tako da regulaciju napadnog ugla (napadni ugao krila) tokom rada vrši zakretanjem
lopatica, na način da se profil namješta u optimalni položaj. Ovakva regulacija je složena i
rotori ovakve izvedbe su skuplji, ali nužno primijenjeni za lopatice duže od 25 do 30
metara. Također postoji poseban motor za zakretanje, koji mijenjajući postavni ugao
lopatica mijenja napadni ugao struje zraka. Na taj način se postiže smanjenje snage
vjetroturbine za brzine vjetra manje od projektne, odnosno brzine vjetra iznad projektne
(namještajući na optimalnu vrijednost na početku rada vjetroagregata).
2. Tako da se regulacija snage vjetroturbine vrši korištenjem aerodinamičnog efekta
poremećenog trougla brzina. Dakle s promjenom brzine vjetra mijenja se na aeroprofilu
napadni ugao struje zraka, odnosno dolazi do poremećaja trougla brzina te do porasta ili
gubitaka uzgona. Za ovaj slučaj izvedbe rotora, lopatice nemaju mogućnost rotacije.
9.5.3. Rotor vjetroturbine
Prema aerodinamičkom djelovanju, rotori vjetroturbina mogu biti:
• Rotori s otpornim djelovanjem (DRAG) - osnivaju se na djelovanju sila otpora na lopatice
rotora pri čemu se one okreću sporije od vjetra, što čak smanjuje ukupnu iskoristivost.
Najčešće se koriste u vjetrenjačama, za pogon mlinova ili pumpi za vodu.
• Rotori s uzgonskim djelovanjem (LIFT) - osnivaju se na djelovanju sila uzgona na lopatice
rotora, pri čemu je njihova linearna brzina nekoliko puta veća od brzine vjetra. U pravilu
se koriste u savremenim vjetroelektranama.
Prema položaju vratila, odnosno osi vrtnje, rotori vjetroturbina mogu biti:
• Rotori s vodoravnom osi (npr. kao kod propelera) su danas mnogo češći u primjeni i u
pravilu se koriste u savremenim vjetroelektranama.
• Rotori s okomitom osi - počeli su se koristiti prvi, ali su do danas pomalo napušteni. Ipak,
imaju brojne prednosti: ne ovise o smjeru vjetra, a teški dijelovi postrojenja mogu se
smjestiti na samom tlu, no imaju i nekih, posebno pogonskih, nedostataka pa je njihova
primjena za sada još ograničena.
93
aerodinamički uzgon, i imaju prilično visok nivo pretvaranja energije vjetra u mehanički rad.
Koriste se 3 lopatice jer je to najpraktičnija i najisplativija konfiguracija, te je s vremenom
postala uobičajena za gotovo sve velike proizvođače vjetroagregata. Kod dvije (a pogotovo
jedne) lopatice brzina vrtnje je znatno veća, što ima mnogo negativnih posljedica u smislu
učinkovitosti i opće prihvaćenosti vjetroagregata.
Ovisno o tome kako reguliramo snagu, vjetroagregat može biti izveden na dva načina:
1. Tako da regulaciju napadnog ugla (napadni ugao krila) tokom rada vrši zakretanjem
lopatica, na način da se profil namješta u optimalni položaj. Ovakva regulacija je složena i
rotori ovakve izvedbe su skuplji, ali nužno primijenjeni za lopatice duže od 25 do 30
metara. Također postoji poseban motor za zakretanje, koji mijenjajući postavni ugao
lopatica mijenja napadni ugao struje zraka. Na taj način se postiže smanjenje snage
vjetroturbine za brzine vjetra manje od projektne, odnosno brzine vjetra iznad projektne
(namještajući na optimalnu vrijednost na početku rada vjetroagregata).
2. Tako da se regulacija snage vjetroturbine vrši korištenjem aerodinamičnog efekta
poremećenog trougla brzina. Dakle s promjenom brzine vjetra mijenja se na aeroprofilu
napadni ugao struje zraka, odnosno dolazi do poremećaja trougla brzina te do porasta ili
gubitaka uzgona. Za ovaj slučaj izvedbe rotora, lopatice nemaju mogućnost rotacije.
9.5.3. Rotor vjetroturbine
Prema aerodinamičkom djelovanju, rotori vjetroturbina mogu biti:
• Rotori s otpornim djelovanjem (DRAG) - osnivaju se na djelovanju sila otpora na lopatice
rotora pri čemu se one okreću sporije od vjetra, što čak smanjuje ukupnu iskoristivost.
Najčešće se koriste u vjetrenjačama, za pogon mlinova ili pumpi za vodu.
• Rotori s uzgonskim djelovanjem (LIFT) - osnivaju se na djelovanju sila uzgona na lopatice
rotora, pri čemu je njihova linearna brzina nekoliko puta veća od brzine vjetra. U pravilu
se koriste u savremenim vjetroelektranama.
Prema položaju vratila, odnosno osi vrtnje, rotori vjetroturbina mogu biti:
• Rotori s vodoravnom osi (npr. kao kod propelera) su danas mnogo češći u primjeni i u
pravilu se koriste u savremenim vjetroelektranama.
• Rotori s okomitom osi - počeli su se koristiti prvi, ali su do danas pomalo napušteni. Ipak,
imaju brojne prednosti: ne ovise o smjeru vjetra, a teški dijelovi postrojenja mogu se
smjestiti na samom tlu, no imaju i nekih, posebno pogonskih, nedostataka pa je njihova
primjena za sada još ograničena.
UVOD U ENERGETIKU
94
Slika 9.9 Vjetroturbine s horizontalnom i vertikalnom osi
Prema brzini vrtnje, rotori vjetroturbina mogu biti:
• Rotori s promjenljivom ugaonom brzinom, najčešće se koriste za rad pumpi za vodu i
vjetroelektrana za potrebe punjenja baterija, dok za primjenu u vjetroelektranama koje se
spajaju na električnu mrežu zahtijevaju pretvarač frekvencije.
• Rotori s konstantnom ugaonom brzinom, vrlo su prikladni za primjenu u vjetroelektranama
za potrebe elektroenergetskog sistema (mreže) jer se time omogućava primjena
jednostavnih generatora čija je ugaona brzina polova određena frekvencijom mreže.
9.5.4. Offshore vjetroturbine
Offshore vjetroturbine su vrsta vjetroturbina s čvrstim temeljima koja se gradi na moru,
uglavnom u priobalnom području, gdje je dubina vode obično manja od 60 metara, a
udaljenost od obale do najviše 50 metara .
Offshore turbine su važna alternativa vjetroturbinama na kopnu. Postoji nekoliko razloga za
to, a između ostalog u nekim državama je ograničen broj kopnenih površina na koje se mogu
instalirati vjetroturbine. Jaki protivnici vjetroturbina su i lokalni stanovnici mjesta pogodnih za
instaliranje.
Sa tehničke strane gledišta, vjetar je obično pravilniji na moru nego na kopnu i prosječna brzina
je veća sa manjim turbulencijama. Postoje i određene mane razvoja instalacija offshore
vjetroturbina. Jači temelji su neophodni zato što struktura mora izdržati ne samo vjetar, nego
i valove (snaga valova može biti značajna sa jako visokim pritiscima na površini, tipa 1.300
t/m
2
). Osim toga, oluje na moru ili blizu obale su uglavnom intenzivnije od onih na velikim
kopnenim površinama. Za duboko morsko dno, možemo upotrijebiti metode korištene u
naftnoj industriji. Spajanje na električnu mrežu je također jako skupo. Ako je udaljenost obale
veća od 10 km, potrebni su tranportni sistemi visokog napona. Ovo povećava složenost i trošak
tehnologije.
94
Slika 9.9 Vjetroturbine s horizontalnom i vertikalnom osi
Prema brzini vrtnje, rotori vjetroturbina mogu biti:
• Rotori s promjenljivom ugaonom brzinom, najčešće se koriste za rad pumpi za vodu i
vjetroelektrana za potrebe punjenja baterija, dok za primjenu u vjetroelektranama koje se
spajaju na električnu mrežu zahtijevaju pretvarač frekvencije.
• Rotori s konstantnom ugaonom brzinom, vrlo su prikladni za primjenu u vjetroelektranama
za potrebe elektroenergetskog sistema (mreže) jer se time omogućava primjena
jednostavnih generatora čija je ugaona brzina polova određena frekvencijom mreže.
9.5.4. Offshore vjetroturbine
Offshore vjetroturbine su vrsta vjetroturbina s čvrstim temeljima koja se gradi na moru,
uglavnom u priobalnom području, gdje je dubina vode obično manja od 60 metara, a
udaljenost od obale do najviše 50 metara .
Offshore turbine su važna alternativa vjetroturbinama na kopnu. Postoji nekoliko razloga za
to, a između ostalog u nekim državama je ograničen broj kopnenih površina na koje se mogu
instalirati vjetroturbine. Jaki protivnici vjetroturbina su i lokalni stanovnici mjesta pogodnih za
instaliranje.
Sa tehničke strane gledišta, vjetar je obično pravilniji na moru nego na kopnu i prosječna brzina
je veća sa manjim turbulencijama. Postoje i određene mane razvoja instalacija offshore
vjetroturbina. Jači temelji su neophodni zato što struktura mora izdržati ne samo vjetar, nego
i valove (snaga valova može biti značajna sa jako visokim pritiscima na površini, tipa 1.300
t/m
2
). Osim toga, oluje na moru ili blizu obale su uglavnom intenzivnije od onih na velikim
kopnenim površinama. Za duboko morsko dno, možemo upotrijebiti metode korištene u
naftnoj industriji. Spajanje na električnu mrežu je također jako skupo. Ako je udaljenost obale
veća od 10 km, potrebni su tranportni sistemi visokog napona. Ovo povećava složenost i trošak
tehnologije.
UVOD U ENERGETIKU
95
Slika 9.10. Udaljenost vjetroturbina od obale
Proizvodnja prvih offshore vjetrotubina je počela u Danskoj 1991. godine izgradnjom
vjetroturbine Vindeby. Pravi rast tržišta došao je ipak nekih 10 godina kasnije izgradnjom
priobalnih vjetroturbina Miidelgrundeni Horns Rev, koji je postao najveći pravi priobalni
projekat sa snagom od 160 MW i udaljenošću od 14 do 20 kilometara od obale. Osim Danske,
offshore vjetroturbine su izgradili Velika Britanija, Irska, Švedska, Nizozemska, Belgija,
Njemačka, Japan i Kina, dok neke druge zemlje kao što su Francuska, SAD, Kanada, Grčka i
druge Evropske zemlje planiraju korištenje offshore vjetroturbina. U budućnosti se može
očekivati razvoj novih generacija vjetroturbina koje će biti podignute na mjesta daleko od
obale u dubinama mora. Kako će se nalaziti daleko od obale, drugi načini da se pohrani ili
prenosi energija su mogući kao npr. proizvodnja vodika. Offshore vjetroturbine su obično
dizajnirane da funkcioniraju makar 20 godina.
9.6. ENERGIJA VJETRA U DANAŠNJE VRIJEME
Renesansa energije vjetra započela je u Danskoj 1980. godine. Povodom naftnih kriza 1973. i
1978. godine male kompanije, uglavnom proizvođači mašina i opreme za ruralne potrebe su
razvili prvu generaciju vjetroturbina za komercijalnu potrebu. Te su vjetroturbine imale rotor
prečnika od 10 do 15 metara, te električni generator snage od 30 do 55 kW. Električna energija
koja nije potrošena od strane vlasnika vjetroturbine direktno se predavala u gradsku mrežu.
Promjene u energetskoj politici koje su tada nastupile, garantirale su vlasnicima vjetroturbina
dobru i fiksnu otkupnu cijenu za višak električne energije. U 2001. godini 17% korištene
električne energije u Danskoj je dobijeno pomoću vjetroturbina. Korištenje energije vjetra u
SAD-u započelo je također 1980/81. god. u Kaliforniji. Kalifornijske vjetroelektrane je činio
veliki broj vjetroturbina malih jediničnih snaga (35 do 75 kW) koje su bile proizvedene u SAD-
u ili uvezene iz Danske. Isto kao i u Danskoj, nagli porast cijena nafte u 70-tima je uzrokovao
naklonost vlade obnovljivim izvorima energije, uključujući solarnu, geotermalnu i energiju
vjetra. Njemačka nije doživjela nagli porast korištenja energije vjetra sve do 1991. godine. Te
je godine zakon “Electricity Feed Law” garantirao kako pristup električnoj mreži, tako i dobru
i fiksnu otkupnu cijenu proizvođačima električne energije dobivene iz energije vjetra. Tokom
sljedećih osam godina, kapacitet je povećan za novih 3.000 MW. Do 1998. godine obalne
provincije su podmirivale oko 7% svojih potreba za električnom energijom iz energije vjetra.
Zakon o obnovljivim izvorima energije koji je stupio na snagu u aprilu 2000. godine i zamijenio
95
Slika 9.10. Udaljenost vjetroturbina od obale
Proizvodnja prvih offshore vjetrotubina je počela u Danskoj 1991. godine izgradnjom
vjetroturbine Vindeby. Pravi rast tržišta došao je ipak nekih 10 godina kasnije izgradnjom
priobalnih vjetroturbina Miidelgrundeni Horns Rev, koji je postao najveći pravi priobalni
projekat sa snagom od 160 MW i udaljenošću od 14 do 20 kilometara od obale. Osim Danske,
offshore vjetroturbine su izgradili Velika Britanija, Irska, Švedska, Nizozemska, Belgija,
Njemačka, Japan i Kina, dok neke druge zemlje kao što su Francuska, SAD, Kanada, Grčka i
druge Evropske zemlje planiraju korištenje offshore vjetroturbina. U budućnosti se može
očekivati razvoj novih generacija vjetroturbina koje će biti podignute na mjesta daleko od
obale u dubinama mora. Kako će se nalaziti daleko od obale, drugi načini da se pohrani ili
prenosi energija su mogući kao npr. proizvodnja vodika. Offshore vjetroturbine su obično
dizajnirane da funkcioniraju makar 20 godina.
9.6. ENERGIJA VJETRA U DANAŠNJE VRIJEME
Renesansa energije vjetra započela je u Danskoj 1980. godine. Povodom naftnih kriza 1973. i
1978. godine male kompanije, uglavnom proizvođači mašina i opreme za ruralne potrebe su
razvili prvu generaciju vjetroturbina za komercijalnu potrebu. Te su vjetroturbine imale rotor
prečnika od 10 do 15 metara, te električni generator snage od 30 do 55 kW. Električna energija
koja nije potrošena od strane vlasnika vjetroturbine direktno se predavala u gradsku mrežu.
Promjene u energetskoj politici koje su tada nastupile, garantirale su vlasnicima vjetroturbina
dobru i fiksnu otkupnu cijenu za višak električne energije. U 2001. godini 17% korištene
električne energije u Danskoj je dobijeno pomoću vjetroturbina. Korištenje energije vjetra u
SAD-u započelo je također 1980/81. god. u Kaliforniji. Kalifornijske vjetroelektrane je činio
veliki broj vjetroturbina malih jediničnih snaga (35 do 75 kW) koje su bile proizvedene u SAD-
u ili uvezene iz Danske. Isto kao i u Danskoj, nagli porast cijena nafte u 70-tima je uzrokovao
naklonost vlade obnovljivim izvorima energije, uključujući solarnu, geotermalnu i energiju
vjetra. Njemačka nije doživjela nagli porast korištenja energije vjetra sve do 1991. godine. Te
je godine zakon “Electricity Feed Law” garantirao kako pristup električnoj mreži, tako i dobru
i fiksnu otkupnu cijenu proizvođačima električne energije dobivene iz energije vjetra. Tokom
sljedećih osam godina, kapacitet je povećan za novih 3.000 MW. Do 1998. godine obalne
provincije su podmirivale oko 7% svojih potreba za električnom energijom iz energije vjetra.
Zakon o obnovljivim izvorima energije koji je stupio na snagu u aprilu 2000. godine i zamijenio
UVOD U ENERGETIKU
96
EFL7, poticao je gradnju vjetroelektrana na kopnu, ali je sadržavao temeljnu regulativu za
gradnju “offshore” elektrana. U skladu s novim zakonom, 2001. godine dosegnut je rekordan
broj novoinstaliranih vjetroturbina, ukupne snage od 2659 MW.
9.6.1. Najveći proizvođači energije vjetra
Skoro 60% današnjeg svjetskog kapaciteta je instalirano u tri države. Njemačka je vodeća na
listi, zatim SAD i Španija. Kompanije koje imaju najviše instaliranih vjetroturbina su: Vestas iz
Danske, Enercon i Siemens iz Njemačke, Gamesa iz Španije i General Electric iz SAD-a.
Slika 9.11. Proizvodnja vjetrotubina 2005.godine
Vjetroelektrane proizvode više od 1% ukupne proizvedene električne energije. U 2007.
proizvedeno je 19,7 MW snage iz vjetroelektrana. S timnovim kapacitetima ukupan kapacitet
vjetroelektrana u svijetu iznosi 93.849 MW na kraju 2007. godine. Stopa porasta instalirane
snage vjetroagretgata za 2006 i 2007. godinu iznosi ok 26 %. Ta instalirana snaga proizvodi oko
200 TWh električne energije godišnje, što je otprilike 1,3% ukupne proizvodnje. U nekim
zemljama i regijama vjetroelektrane sudjeluju s više od 40% proizvedene električne energije.
U razdoblju između 1998. i 2007. ukupna instalirana snaga vjetroelektrana povećala se
deseterostruko, i u tom periodu na području vjetroenergetike je zaposleno oko 350.000 ljudi
širom svijeta. Evropa vodi s 61% od ukupne instalirane snage , slijede Amerika s 20% i Azija s
17%. Od pojedinih zemalja vodeće su Njemačka (22 GW), SAD (16 GW) i Španija (15 GW).
Krajem 2010. godine na svijetu je bilo instalirano oko 197 GW vjetroturbina, a godišnji prirast
je 35 - 40 GW. Kina je tada preuzela vodeće mjesto u korištenju energije vjetra.U Evropi prva
dva mjesta drže Njemačka i Španija. Sektor vjetra u svijetu je tokom 2010. napravio prometa
40 milijardi eura, a u industriji vjetra je bilo zaposleno oko 670.000 ljudi. Najveći udio energije
vjetra u ukupnoj proizvodnji je u Danskoj (21%), Portugalu (18%) i Španiji (16%).
Najveći svjetski proizvođač vjetroagregata je trenutačno danski Vestas, drugi je kineski
Sinovel, a prate ih američki GE, i kineski Goldwind. Na petom mjestu je njemački Enercon.
Treba napomenuti da su moderne vjetroturbine napravljene potpuno u skladu s zahtjevima
električnih prijenosnih i distribucijskih mreža, odnosno prema pravilima funkcioniranja istih,
te gotovo po svemu imaju osobine klasičnih elektrana.
96
EFL7, poticao je gradnju vjetroelektrana na kopnu, ali je sadržavao temeljnu regulativu za
gradnju “offshore” elektrana. U skladu s novim zakonom, 2001. godine dosegnut je rekordan
broj novoinstaliranih vjetroturbina, ukupne snage od 2659 MW.
9.6.1. Najveći proizvođači energije vjetra
Skoro 60% današnjeg svjetskog kapaciteta je instalirano u tri države. Njemačka je vodeća na
listi, zatim SAD i Španija. Kompanije koje imaju najviše instaliranih vjetroturbina su: Vestas iz
Danske, Enercon i Siemens iz Njemačke, Gamesa iz Španije i General Electric iz SAD-a.
Slika 9.11. Proizvodnja vjetrotubina 2005.godine
Vjetroelektrane proizvode više od 1% ukupne proizvedene električne energije. U 2007.
proizvedeno je 19,7 MW snage iz vjetroelektrana. S timnovim kapacitetima ukupan kapacitet
vjetroelektrana u svijetu iznosi 93.849 MW na kraju 2007. godine. Stopa porasta instalirane
snage vjetroagretgata za 2006 i 2007. godinu iznosi ok 26 %. Ta instalirana snaga proizvodi oko
200 TWh električne energije godišnje, što je otprilike 1,3% ukupne proizvodnje. U nekim
zemljama i regijama vjetroelektrane sudjeluju s više od 40% proizvedene električne energije.
U razdoblju između 1998. i 2007. ukupna instalirana snaga vjetroelektrana povećala se
deseterostruko, i u tom periodu na području vjetroenergetike je zaposleno oko 350.000 ljudi
širom svijeta. Evropa vodi s 61% od ukupne instalirane snage , slijede Amerika s 20% i Azija s
17%. Od pojedinih zemalja vodeće su Njemačka (22 GW), SAD (16 GW) i Španija (15 GW).
Krajem 2010. godine na svijetu je bilo instalirano oko 197 GW vjetroturbina, a godišnji prirast
je 35 - 40 GW. Kina je tada preuzela vodeće mjesto u korištenju energije vjetra.U Evropi prva
dva mjesta drže Njemačka i Španija. Sektor vjetra u svijetu je tokom 2010. napravio prometa
40 milijardi eura, a u industriji vjetra je bilo zaposleno oko 670.000 ljudi. Najveći udio energije
vjetra u ukupnoj proizvodnji je u Danskoj (21%), Portugalu (18%) i Španiji (16%).
Najveći svjetski proizvođač vjetroagregata je trenutačno danski Vestas, drugi je kineski
Sinovel, a prate ih američki GE, i kineski Goldwind. Na petom mjestu je njemački Enercon.
Treba napomenuti da su moderne vjetroturbine napravljene potpuno u skladu s zahtjevima
električnih prijenosnih i distribucijskih mreža, odnosno prema pravilima funkcioniranja istih,
te gotovo po svemu imaju osobine klasičnih elektrana.
UVOD U ENERGETIKU
97
Električna energija nije izvor energije, već prikladan i fleksibilan način transporta energija.
Teško je zamisliti kuću bez struje. Danas ima toliko elektromotora ili električnih aparata u
svakom domu, koji su postali neophodni za život. Nažalost, električna energija nije dostupna
svima u svijetu. Tako, još uvijek ima oko 1,6 milijardi ljudi u svijetu koji nemaju pristup
električnoj energiji. To su obično ljudi koji imaju nedovoljan pristup hrani i drugim potrebama.
Većina živi u ruralnim područjima (≈ 1,3 milijarde, ili 80%). Pogođena područja s najvećim
brojem ljudi su Južna Azija, koji ima 580 miliona ljudi bez električne energije i sub-saharska
Afrika sa 547 miliona stanovnika bez elektirčne energije. U Južnoj Aziji, procenat elektrifikacije
je 52% dok je u podsaharskoj Africi samo 26%. U Kini i istočnoj Aziji elektrifikacija dostiže 89%.
U Sjevernoj Africi i na Bliskom istoku postotak elektrifikacije iznosi 86%, ali još uvijek ima 30
miliona ljudi bez električne energije. Latinska Amerika ima visok postotak elektrifikacije (90%),
ali još uvijek 45 milijuna ljudi živi bez električne energije.
10.1. BRZI RAZVOJ
Električna energija je novi energetski vektor. Jedna od prvih primjena električne energije bila
je za rasvjetu. Prva električna rasvjeta napravljena je 1850, na mostu Pont - Neuf u Parizu.
Posmatrači su bili iznenađeni visokim intenzitetom svjetlosti. U drugom dijelu devetnaestog
vijeka postojala je jaka konkurencija između gasa i električne energije za upotrebu rasvjete. U
početku, svetlost dobijena iz električne energije bila je skuplja od one proizvedene drugim
metodama. Tek krajem devetnaestog vijeka žarulje sa žarnom niti zamjenile su lampe koje su
se koriste do tada. Struja se najbrže razvijala u Ujedinjenom Kraljevstvu zato što je zemlja bila
razvijena. Početkom dvadesetog stoljeća, trošak energije za proizvodnju svjetlosti varira u
skladu sa korištenom tehnologijom, slika 10.1.
Slika 10.1. Poređenje troškova različitih izvora energije
koji proizvode istu količinu svetlosti, 1900.
Električni uređaji (npr. frižideri, mašine za pranje) danas postoje u mnogo većem broju nego
ranije, ali im je potrebno manje energije. U Francuskoj broj takvih električnih aparata (bijela
tehnika) povećao se sa 60 miliona u 1978. na 100 miliona u 1992. U periodu između 1973. i
2004. godine, svjetska proizvodnja električne energije povećana je sa 6.130 na 17.531 TWh.
97
Električna energija nije izvor energije, već prikladan i fleksibilan način transporta energija.
Teško je zamisliti kuću bez struje. Danas ima toliko elektromotora ili električnih aparata u
svakom domu, koji su postali neophodni za život. Nažalost, električna energija nije dostupna
svima u svijetu. Tako, još uvijek ima oko 1,6 milijardi ljudi u svijetu koji nemaju pristup
električnoj energiji. To su obično ljudi koji imaju nedovoljan pristup hrani i drugim potrebama.
Većina živi u ruralnim područjima (≈ 1,3 milijarde, ili 80%). Pogođena područja s najvećim
brojem ljudi su Južna Azija, koji ima 580 miliona ljudi bez električne energije i sub-saharska
Afrika sa 547 miliona stanovnika bez elektirčne energije. U Južnoj Aziji, procenat elektrifikacije
je 52% dok je u podsaharskoj Africi samo 26%. U Kini i istočnoj Aziji elektrifikacija dostiže 89%.
U Sjevernoj Africi i na Bliskom istoku postotak elektrifikacije iznosi 86%, ali još uvijek ima 30
miliona ljudi bez električne energije. Latinska Amerika ima visok postotak elektrifikacije (90%),
ali još uvijek 45 milijuna ljudi živi bez električne energije.
10.1. BRZI RAZVOJ
Električna energija je novi energetski vektor. Jedna od prvih primjena električne energije bila
je za rasvjetu. Prva električna rasvjeta napravljena je 1850, na mostu Pont - Neuf u Parizu.
Posmatrači su bili iznenađeni visokim intenzitetom svjetlosti. U drugom dijelu devetnaestog
vijeka postojala je jaka konkurencija između gasa i električne energije za upotrebu rasvjete. U
početku, svetlost dobijena iz električne energije bila je skuplja od one proizvedene drugim
metodama. Tek krajem devetnaestog vijeka žarulje sa žarnom niti zamjenile su lampe koje su
se koriste do tada. Struja se najbrže razvijala u Ujedinjenom Kraljevstvu zato što je zemlja bila
razvijena. Početkom dvadesetog stoljeća, trošak energije za proizvodnju svjetlosti varira u
skladu sa korištenom tehnologijom, slika 10.1.
Slika 10.1. Poređenje troškova različitih izvora energije
koji proizvode istu količinu svetlosti, 1900.
Električni uređaji (npr. frižideri, mašine za pranje) danas postoje u mnogo većem broju nego
ranije, ali im je potrebno manje energije. U Francuskoj broj takvih električnih aparata (bijela
tehnika) povećao se sa 60 miliona u 1978. na 100 miliona u 1992. U periodu između 1973. i
2004. godine, svjetska proizvodnja električne energije povećana je sa 6.130 na 17.531 TWh.
UVOD U ENERGETIKU
98
Prosječna godišnja stopa proizvodnje električne energije je veća od ukupne proizvodnje od
1973. do 2004. godine. Potrošnja električne energije je znatno porasla u zemljama u razvoju,
više nego u razvijenim zemljama. Između 1973 i 2004. godini stopa proizvodnje električne
energije povećana je za 4,9 % godišnje u zemljama koje nisu članice OECD-a zemalja i 2,7 %
godišnje u zemljama OECD-a. 1973. godine, 72,9 % proizvodnje električne energije bilo je u
zemljama OECD-a dok je taj udio pao na 58,2 % u 2004. godini i dostiže 18.292 TWh. Ukupna
potrošnja u 2005. godini iznosila je 15.021 TWh. Gubici distribucije su bili 1.597 TWh. Brzi
razvoj korištenja električne energije u Francuskoj prikazan je na slici 10.2.
Slika 10.2. Potrošnja električne energije u Francuskoj i SAD
Nakon II svjetskog rata potrošnja električne energije je bila veoma niska. U 1940., proizvodnja
električne energije u SAD je veća bila veća nego u Francuskoj (oko 480 TWh). Od 1940.,
proizvodnja električne energije u SAD je pomnožena sa faktorom većim od 10.
10.2. IZVORI ENERGIJE ZA PROIZVODNJU ELEKTRIČNE ENERGIJE
Velika prednost električne energije je da se može proizvesti iz bilo kojeg primarnog izvora
energije, slika 10.3. Osim toga, električna energija se može koristiti za proizvodnju toplote, a
može biti i od koristi za zadovoljavanje transportnih potreba sa električnim vozilima.
Slika 10.3. Primarni izvori energije koji se koriste za proizvodnju električne energije
Na svjetskom nivou se koriste razni izvori za proizvodnju električne energije, dvije trećine
svjetske proizvodnje električne energije je iz fosilnih goriva, a nešto više od 40 % se proizvodi
iz ugljena. Ugalj je najveći pojedinačni izvor, slika 10.4.
98
Prosječna godišnja stopa proizvodnje električne energije je veća od ukupne proizvodnje od
1973. do 2004. godine. Potrošnja električne energije je znatno porasla u zemljama u razvoju,
više nego u razvijenim zemljama. Između 1973 i 2004. godini stopa proizvodnje električne
energije povećana je za 4,9 % godišnje u zemljama koje nisu članice OECD-a zemalja i 2,7 %
godišnje u zemljama OECD-a. 1973. godine, 72,9 % proizvodnje električne energije bilo je u
zemljama OECD-a dok je taj udio pao na 58,2 % u 2004. godini i dostiže 18.292 TWh. Ukupna
potrošnja u 2005. godini iznosila je 15.021 TWh. Gubici distribucije su bili 1.597 TWh. Brzi
razvoj korištenja električne energije u Francuskoj prikazan je na slici 10.2.
Slika 10.2. Potrošnja električne energije u Francuskoj i SAD
Nakon II svjetskog rata potrošnja električne energije je bila veoma niska. U 1940., proizvodnja
električne energije u SAD je veća bila veća nego u Francuskoj (oko 480 TWh). Od 1940.,
proizvodnja električne energije u SAD je pomnožena sa faktorom većim od 10.
10.2. IZVORI ENERGIJE ZA PROIZVODNJU ELEKTRIČNE ENERGIJE
Velika prednost električne energije je da se može proizvesti iz bilo kojeg primarnog izvora
energije, slika 10.3. Osim toga, električna energija se može koristiti za proizvodnju toplote, a
može biti i od koristi za zadovoljavanje transportnih potreba sa električnim vozilima.
Slika 10.3. Primarni izvori energije koji se koriste za proizvodnju električne energije
Na svjetskom nivou se koriste razni izvori za proizvodnju električne energije, dvije trećine
svjetske proizvodnje električne energije je iz fosilnih goriva, a nešto više od 40 % se proizvodi
iz ugljena. Ugalj je najveći pojedinačni izvor, slika 10.4.
UVOD U ENERGETIKU
99
Slika 10.4. Svjetska proizvodnja električne energije 2005. godine, prema izvoru goriva;
“drugo” uključuje: geotermalnu energiju, solarnu energiju, vjetar, otpad.
S obzirom da se CO2 emituje kada se fosilna goriva sagorjevaju, može se zaključiti da
proizvodnja električne energije predstavlja veliki izvor emisije stakleničkih plinova. Drugi izvori
energije za proizvodnju električne energije, kao što su nuklearna energija, hidro energija i
drugi obnovljivi izvori energije ne proizvode CO2 tokom rada.
Među obnovljivim izvorima energije dominira hidroenergija. Na drugom mjestu su biomasa i
otpad sa 227 TWh. Biomasa i otpad nisu najbolji način za za proizvodnju elektične energije jer
se mogu iskoristit u vrijednijim projektima. Na slici 10.5. je prikazana distribucija proizvodnje
električne energije iz obnovljivih izvora. Energija vjetra je postala veoma važan izvor električne
energije.
Slika 10.5. Svjetska proizvodnja električne energije
iz obnovljivih izvora energije, osim hidroelektrana
Uukupni instalirani kapacitet za proizvodnju električne energije u svijetu, u 2004. godini, je bio
4.054 GW, slika 10.6. Instalirani kapacitet i količina proizvedene električne energije su dvije
različite stvari, jer su efikasnosti proizvodnje različite za različite izvore energije. Za
hidroenergiju globalni kapacitet je 851 GW. Udio instaliranih kapaciteta za proizvodnju
električne energije iz drugih obnovljivih izvora energije prikazan je na istoj slici. Ovi izvori
pružaju samo oko 2% globalne proizvodnje energije. Energija vjetra predstavlja polovinu
energije proizvedene iz obnovljivih izvora energije.
99
Slika 10.4. Svjetska proizvodnja električne energije 2005. godine, prema izvoru goriva;
“drugo” uključuje: geotermalnu energiju, solarnu energiju, vjetar, otpad.
S obzirom da se CO2 emituje kada se fosilna goriva sagorjevaju, može se zaključiti da
proizvodnja električne energije predstavlja veliki izvor emisije stakleničkih plinova. Drugi izvori
energije za proizvodnju električne energije, kao što su nuklearna energija, hidro energija i
drugi obnovljivi izvori energije ne proizvode CO2 tokom rada.
Među obnovljivim izvorima energije dominira hidroenergija. Na drugom mjestu su biomasa i
otpad sa 227 TWh. Biomasa i otpad nisu najbolji način za za proizvodnju elektične energije jer
se mogu iskoristit u vrijednijim projektima. Na slici 10.5. je prikazana distribucija proizvodnje
električne energije iz obnovljivih izvora. Energija vjetra je postala veoma važan izvor električne
energije.
Slika 10.5. Svjetska proizvodnja električne energije
iz obnovljivih izvora energije, osim hidroelektrana
Uukupni instalirani kapacitet za proizvodnju električne energije u svijetu, u 2004. godini, je bio
4.054 GW, slika 10.6. Instalirani kapacitet i količina proizvedene električne energije su dvije
različite stvari, jer su efikasnosti proizvodnje različite za različite izvore energije. Za
hidroenergiju globalni kapacitet je 851 GW. Udio instaliranih kapaciteta za proizvodnju
električne energije iz drugih obnovljivih izvora energije prikazan je na istoj slici. Ovi izvori
pružaju samo oko 2% globalne proizvodnje energije. Energija vjetra predstavlja polovinu
energije proizvedene iz obnovljivih izvora energije.
UVOD U ENERGETIKU
100
Slika 10.6. Udio instaliranih kapaciteta za proizvodnju električne energije, 2004.
Električna energija se koristi u mnogim aktivnostima. Distribucija potrošnje električne energije
između različitih oblasti ljudskog djelovanja prikazana je na slici 10.7. Više od 90% električne
energije se troši u industrijske svrhe, u stambene, komercijalne i javne usluge.
Slika 10.7. Ukupna svjetska potrošnja električne energije, 2005.
10.3. BEZ PRAVOG RIJEŠENJA
Vrlo važnu ulogu u proizvodnji električne energije u pojedinim zemljama imaju specifični
resursi i količine tih resursa kojima neka zemlja raspolaže. Različite zemlje su odabrale različita
rješenja da ispune svoje potrebe za električnom energijom. Tako na primjer SAD za
proizvodnju električne energije koriste 72,2 % fosilnih goriva, 19,7 % nuklearne elektrane i 7,4
% hidroelektrane, slika 10.8. Ovakva proizvodnja energije dovodi do velikih emisija CO2. U
Francuskoj gotovo 90 % proizvodnje električne energije čine izvori energije koji nemaju veliku
emisiju CO2. Za razliku od Francuske, skoro dvije trećine proizvedene električne energije u
Njemačkoj je izvedeno iz fosilnih goriva. Njemačka ima velike resurse ugalja koji se koriste za
proizvodnju električne energije. Ugalj čini 79 % ukupnog doprinosa fosilnih goriva. U Kanadi
se proizvede blizu 60% energije iz hidrodroenergije. U Kini dominira ugalj u proizvodnji
električne energije, slika 10.8.
100
Slika 10.6. Udio instaliranih kapaciteta za proizvodnju električne energije, 2004.
Električna energija se koristi u mnogim aktivnostima. Distribucija potrošnje električne energije
između različitih oblasti ljudskog djelovanja prikazana je na slici 10.7. Više od 90% električne
energije se troši u industrijske svrhe, u stambene, komercijalne i javne usluge.
Slika 10.7. Ukupna svjetska potrošnja električne energije, 2005.
10.3. BEZ PRAVOG RIJEŠENJA
Vrlo važnu ulogu u proizvodnji električne energije u pojedinim zemljama imaju specifični
resursi i količine tih resursa kojima neka zemlja raspolaže. Različite zemlje su odabrale različita
rješenja da ispune svoje potrebe za električnom energijom. Tako na primjer SAD za
proizvodnju električne energije koriste 72,2 % fosilnih goriva, 19,7 % nuklearne elektrane i 7,4
% hidroelektrane, slika 10.8. Ovakva proizvodnja energije dovodi do velikih emisija CO2. U
Francuskoj gotovo 90 % proizvodnje električne energije čine izvori energije koji nemaju veliku
emisiju CO2. Za razliku od Francuske, skoro dvije trećine proizvedene električne energije u
Njemačkoj je izvedeno iz fosilnih goriva. Njemačka ima velike resurse ugalja koji se koriste za
proizvodnju električne energije. Ugalj čini 79 % ukupnog doprinosa fosilnih goriva. U Kanadi
se proizvede blizu 60% energije iz hidrodroenergije. U Kini dominira ugalj u proizvodnji
električne energije, slika 10.8.
UVOD U ENERGETIKU
101
Proizvodnja električne energije u SAD Proizvodnja električne energije za Francusku
Proizvodnja električne energije za Njemačku Proizvodnja električne energije za Dansku
Proizvodnja električne energije za Švedsku Proizvodnja električne energije za Kanadu
Proizvodnja električne energije u Kini
Slika 10.8. Neto proizvodnja električne enrgije u 2004 godini
za neke od razvijenijih zemalja svijeta
101
Proizvodnja električne energije u SAD Proizvodnja električne energije za Francusku
Proizvodnja električne energije za Njemačku Proizvodnja električne energije za Dansku
Proizvodnja električne energije za Švedsku Proizvodnja električne energije za Kanadu
Proizvodnja električne energije u Kini
Slika 10.8. Neto proizvodnja električne enrgije u 2004 godini
za neke od razvijenijih zemalja svijeta
UVOD U ENERGETIKU
102
10.4. OD MEHANIČKE ENERGIJE DO POTROŠAČA
Mehanička energija generisana iz primarnog izvora energije (fosilnih goriva, nuklearne
energije, vode, vjetra, ...) pretvara se u električnu energiju pomoću generatora. Mehanička
energija rotira pokretni dio generatora, koji se naziva rotor. Rotor se sastoji od magneta koji
se okreće unutar statora, koji čini fiksni dio generatora i sastoji se od niza provodnika na
željeznom jezgru. Frekventni izlaz generatora zavisi od broj polova magneta i brzine rotacije.
Efikasnost generatora je vrlo visoka i može dostići gotovo 99 % za velike jedinice, snage od
1.000 MW. Sa visokom efikasnošću i malim gubicima, količina generisane toplote odgovara
rasipanju snage od 1 MW.
Od mjesta gdje je proizvedena do mjesta gdje se konzumira električna energija se mora
transportirati na određeni način. To se danas radi pomoću mreže provodnika. Početkom 1900-
ih, Thomas Edison je pokušao da razvije DC sistem za prenos, ali nije uspio da prenosi
električnu energiju na velike udaljenosti. Nikola Tesla je razvio tehnologiju prenosa i
distribucije izmjenične struje, koja još uvijek koristi. Nikola Tesla je bio izumitelj višefaznih
transformatora, kao velikog broja drugih patenata iz oblasti naizmjeničnih struja. Električni
vodovi mogu prenositi izmjeničnu struju na velike udaljenosti uz niske troškove pod uslovom
da je napon dovoljno visok. Prenos energije kroz provodnik vodi do gubitka, odnosno disipacije
kao toplote. Gubici energije su manji pri višim naponima. Efikasnost transformacije sa jednog
napona na drugi je jako dobra. Transformatori mogu podizati i spuštati napon između mjesta
proizvodnje i mjesta potrošnje.
U distributivnoj mreži, u različitim dijelovima svijeta su izabrani različiti standardi za prenosni
napon i frekvenciju struje. U Sjedinjenim Državama standard je 120 V, 60 Hz, dok je u Evropi
napon 220 V, a frekvencija 50 Hz. Struja se uglavnom prenosi u obliku trofazne struje. Prednost
trofazne struje je što je jeftinija u smislu generatora i provodnika. Distribucija je efikasnija nego
za jednofaznu naizmjeničnu struju. Osim toga, mnogi industrijski pogoni zahtijevaju trofaznu
struju. Na velikim udaljenostima, problem AC linija je da oni zrače energiju jer se ponašaju kao
antene. Zbog toga se u nekim slučajevima, ali samo iznimno, za prenos snage može koristi i
direktna struja. Postoje takvi primjeri na zapadnoj obali Sjedinjenih Država. Mogućnost
transporta električne energije na velike udaljenosti pokrenula je razvoj centralizovanih
sistema za proizvodnju električne energije, a ne lokalnih sistema. Skica energetskog sistema
koji ide iz elektrane potrošaču je prikazano na slici 10.9.
Slika 10.9. Princip elektroenergetskog sistema koji prikazuje proizvodnju,
prenos i distribuciju električne energije krajnjim korisnicima.
102
10.4. OD MEHANIČKE ENERGIJE DO POTROŠAČA
Mehanička energija generisana iz primarnog izvora energije (fosilnih goriva, nuklearne
energije, vode, vjetra, ...) pretvara se u električnu energiju pomoću generatora. Mehanička
energija rotira pokretni dio generatora, koji se naziva rotor. Rotor se sastoji od magneta koji
se okreće unutar statora, koji čini fiksni dio generatora i sastoji se od niza provodnika na
željeznom jezgru. Frekventni izlaz generatora zavisi od broj polova magneta i brzine rotacije.
Efikasnost generatora je vrlo visoka i može dostići gotovo 99 % za velike jedinice, snage od
1.000 MW. Sa visokom efikasnošću i malim gubicima, količina generisane toplote odgovara
rasipanju snage od 1 MW.
Od mjesta gdje je proizvedena do mjesta gdje se konzumira električna energija se mora
transportirati na određeni način. To se danas radi pomoću mreže provodnika. Početkom 1900-
ih, Thomas Edison je pokušao da razvije DC sistem za prenos, ali nije uspio da prenosi
električnu energiju na velike udaljenosti. Nikola Tesla je razvio tehnologiju prenosa i
distribucije izmjenične struje, koja još uvijek koristi. Nikola Tesla je bio izumitelj višefaznih
transformatora, kao velikog broja drugih patenata iz oblasti naizmjeničnih struja. Električni
vodovi mogu prenositi izmjeničnu struju na velike udaljenosti uz niske troškove pod uslovom
da je napon dovoljno visok. Prenos energije kroz provodnik vodi do gubitka, odnosno disipacije
kao toplote. Gubici energije su manji pri višim naponima. Efikasnost transformacije sa jednog
napona na drugi je jako dobra. Transformatori mogu podizati i spuštati napon između mjesta
proizvodnje i mjesta potrošnje.
U distributivnoj mreži, u različitim dijelovima svijeta su izabrani različiti standardi za prenosni
napon i frekvenciju struje. U Sjedinjenim Državama standard je 120 V, 60 Hz, dok je u Evropi
napon 220 V, a frekvencija 50 Hz. Struja se uglavnom prenosi u obliku trofazne struje. Prednost
trofazne struje je što je jeftinija u smislu generatora i provodnika. Distribucija je efikasnija nego
za jednofaznu naizmjeničnu struju. Osim toga, mnogi industrijski pogoni zahtijevaju trofaznu
struju. Na velikim udaljenostima, problem AC linija je da oni zrače energiju jer se ponašaju kao
antene. Zbog toga se u nekim slučajevima, ali samo iznimno, za prenos snage može koristi i
direktna struja. Postoje takvi primjeri na zapadnoj obali Sjedinjenih Država. Mogućnost
transporta električne energije na velike udaljenosti pokrenula je razvoj centralizovanih
sistema za proizvodnju električne energije, a ne lokalnih sistema. Skica energetskog sistema
koji ide iz elektrane potrošaču je prikazano na slici 10.9.
Slika 10.9. Princip elektroenergetskog sistema koji prikazuje proizvodnju,
prenos i distribuciju električne energije krajnjim korisnicima.
UVOD U ENERGETIKU
103
10.5. UTICAJ NA OKOLIŠ
Pošto se fosilna goriva, posebno ugalj, koriste za veliki dio proizvodnje električne energije,
jedan od najvećih ekoloških uticaja proizvodnje električne energije je emisija CO2. Drugi uticaj
proizvodnje električne energije je toplotna energija, koja se oslobađa tokom proizvodnje
električne energije. Termoelektrane trebaju vodu za hlađenje. Ako neka termoelektrana
koristi otvoreni sistem hlađenja, voda koja se koristi za hlađenje se oslobađa na većoj
temperaturi. Za postrojenje na fosilna goriva od 600 MW stopa protoka vode je oko 10 m
3
/s,
što dovodi do porasta temperature. Transport, distribucija i upotreba električne energije imaju
relativno malo direktnih uticaja na životnu sredinu.
10.6. TROŠKOVI
Trošak električne energije zavisi od izvora energije i tehnologije generatora. U slučaju
centralizovane proizvodnje velikih količina električne energije, najkonkuretniji izvori energije
su hidroenergija i nuklearna energija. U Europi cijena na elektrani iznosi 0,3 €/kW.
Hidroenergija može čak biti jeftinija u nekim slučajevima. Prednost delokalizacije je manja u
razvijenim zemljama, tamo gdje već postoji distribucijska mreža, nego u zemljama u razvoju.
Ovisno o gustoći naseljenosti, može biti jeftinije koristiti delokalizirane izvore energije (sunce
ili vjetar) nego graditi i koriste centralizovanu proizvodnju energije. Cijena električne energije
zavisi od vrste potrošača i od zemlja. U zemljama OECD-a cijene za industrijske potrošače
značajno variraju od zemlje do zemlje. Prema IEA, najniža cijena je u Norveškoj 4,3 US centi po
kW/h, dok je najviši u Italiji sa 16,1 US centi po kW/h. U prosjeku, u zemljama OECD-a
industrijski potrošači su u 2005. godini plaćali 6,5 američkih centi po kW/h, dok je za stambene
potrošače raspon cijena bio još i veći. Trošak za električnu energiju se obično naplaćuje kao
prosjek, ali cijena struja može da varira prilično mnogo tokom perioda od 24 sata. Pored toga,
cijena struje može zavisiti i od sezone (zimska i ljetna tarifa). Električna energija proizvedena
tokom noći, kada je potražnja niska, može se pohraniti i koristiti za upotrebu tokom špiceva
vršne potrošnje.
Slika 10.10. Prosječna cijena električne energije u nekim europskim zemljama, 2007.
103
10.5. UTICAJ NA OKOLIŠ
Pošto se fosilna goriva, posebno ugalj, koriste za veliki dio proizvodnje električne energije,
jedan od najvećih ekoloških uticaja proizvodnje električne energije je emisija CO2. Drugi uticaj
proizvodnje električne energije je toplotna energija, koja se oslobađa tokom proizvodnje
električne energije. Termoelektrane trebaju vodu za hlađenje. Ako neka termoelektrana
koristi otvoreni sistem hlađenja, voda koja se koristi za hlađenje se oslobađa na većoj
temperaturi. Za postrojenje na fosilna goriva od 600 MW stopa protoka vode je oko 10 m
3
/s,
što dovodi do porasta temperature. Transport, distribucija i upotreba električne energije imaju
relativno malo direktnih uticaja na životnu sredinu.
10.6. TROŠKOVI
Trošak električne energije zavisi od izvora energije i tehnologije generatora. U slučaju
centralizovane proizvodnje velikih količina električne energije, najkonkuretniji izvori energije
su hidroenergija i nuklearna energija. U Europi cijena na elektrani iznosi 0,3 €/kW.
Hidroenergija može čak biti jeftinija u nekim slučajevima. Prednost delokalizacije je manja u
razvijenim zemljama, tamo gdje već postoji distribucijska mreža, nego u zemljama u razvoju.
Ovisno o gustoći naseljenosti, može biti jeftinije koristiti delokalizirane izvore energije (sunce
ili vjetar) nego graditi i koriste centralizovanu proizvodnju energije. Cijena električne energije
zavisi od vrste potrošača i od zemlja. U zemljama OECD-a cijene za industrijske potrošače
značajno variraju od zemlje do zemlje. Prema IEA, najniža cijena je u Norveškoj 4,3 US centi po
kW/h, dok je najviši u Italiji sa 16,1 US centi po kW/h. U prosjeku, u zemljama OECD-a
industrijski potrošači su u 2005. godini plaćali 6,5 američkih centi po kW/h, dok je za stambene
potrošače raspon cijena bio još i veći. Trošak za električnu energiju se obično naplaćuje kao
prosjek, ali cijena struja može da varira prilično mnogo tokom perioda od 24 sata. Pored toga,
cijena struje može zavisiti i od sezone (zimska i ljetna tarifa). Električna energija proizvedena
tokom noći, kada je potražnja niska, može se pohraniti i koristiti za upotrebu tokom špiceva
vršne potrošnje.
Slika 10.10. Prosječna cijena električne energije u nekim europskim zemljama, 2007.
UVOD U ENERGETIKU
104
Akumulacija energije omogućava balansiranje ponude i potražnje energije. Danas, sistemi za
skladištenje energije (Energy Storage System - ESS) u komercijalnoj upotrebi mogu biti široko
kategorisani kao mehanički, električni, hemijski, biološki i termički. Akumulacija električne
energije predstavlja veliki problem na čijem rješavanju je angažovano mnoštvo stručnjaka i
naučnika. Danas se sistemi za skladištenje električne energije mogu naći u transportnim
vozilima i elektroenergetskim sistemima. U globalu, uređaji za skladištenje energije se pune
tokom perioda sa niskim energetskim zahtjevima, a prazne tokom perioda visokih energetskih
zahtjeva, da obezbijede podršku energetskom sistemu kada je to potrebno.
Energiju je potrebno skladištiti iz više razloga , a to su :
• pokrivanje vršne potrošnje;
• upravljanje promjenama potrošnje;
• unaprjeđenje pouzdanosti i kvalitete;
• napajanje izvan mreže.
Električna energija ne može da se direktno čuva, ali se može čuvati indirektno, pretvaranjem
električne energije u neki drugi oblik energije ("skladištenje" energije). Kada je potrebno
snadbijevanje električnom energijom, uskladištena energije se konvertuje nazad u električnu
energiju. Velike količine uskladištene energije teško je čuvati i ponovo konvertovati.
Potrošnja električne energije nije jednaka u svakom dijelu dana. Najmanja potrošnja električne
energije je oko 5h ujutro, a najveća je oko 19h. Na slici 11.1. su prikazane oscilacije dnevne
proizvodnje/potrošnje energije.
Slika 11.1. Prikaz dnevne proizvodnje/potrošnje električne energije
11.1. OSNOVNE KARAKTERISTIKE SISTEMA ZA SKLADIŠTENJE
Osnovne karakteristike sistema za skladištenje su sljedeće :
Gustina energije (energetska gustina) je količina energije akumulisana u datom sistemu ili
oblasti prostora po jedinici mase. Često se kvantifikuje samo korisna ili izdvojiva energija, što
znači da se hemijski nepristupačna energija kao što je zaostala energija mase ignoriše.
104
Akumulacija energije omogućava balansiranje ponude i potražnje energije. Danas, sistemi za
skladištenje energije (Energy Storage System - ESS) u komercijalnoj upotrebi mogu biti široko
kategorisani kao mehanički, električni, hemijski, biološki i termički. Akumulacija električne
energije predstavlja veliki problem na čijem rješavanju je angažovano mnoštvo stručnjaka i
naučnika. Danas se sistemi za skladištenje električne energije mogu naći u transportnim
vozilima i elektroenergetskim sistemima. U globalu, uređaji za skladištenje energije se pune
tokom perioda sa niskim energetskim zahtjevima, a prazne tokom perioda visokih energetskih
zahtjeva, da obezbijede podršku energetskom sistemu kada je to potrebno.
Energiju je potrebno skladištiti iz više razloga , a to su :
• pokrivanje vršne potrošnje;
• upravljanje promjenama potrošnje;
• unaprjeđenje pouzdanosti i kvalitete;
• napajanje izvan mreže.
Električna energija ne može da se direktno čuva, ali se može čuvati indirektno, pretvaranjem
električne energije u neki drugi oblik energije ("skladištenje" energije). Kada je potrebno
snadbijevanje električnom energijom, uskladištena energije se konvertuje nazad u električnu
energiju. Velike količine uskladištene energije teško je čuvati i ponovo konvertovati.
Potrošnja električne energije nije jednaka u svakom dijelu dana. Najmanja potrošnja električne
energije je oko 5h ujutro, a najveća je oko 19h. Na slici 11.1. su prikazane oscilacije dnevne
proizvodnje/potrošnje energije.
Slika 11.1. Prikaz dnevne proizvodnje/potrošnje električne energije
11.1. OSNOVNE KARAKTERISTIKE SISTEMA ZA SKLADIŠTENJE
Osnovne karakteristike sistema za skladištenje su sljedeće :
Gustina energije (energetska gustina) je količina energije akumulisana u datom sistemu ili
oblasti prostora po jedinici mase. Često se kvantifikuje samo korisna ili izdvojiva energija, što
znači da se hemijski nepristupačna energija kao što je zaostala energija mase ignoriše.
UVOD U ENERGETIKU
105
Gustina snage (zapreminska gustina snage ili specifična snaga zapremine) je količina snage po
jedinici zapremine (brzina prenosa energije). Kod energetskih transformatora kao što su
baterije, gorivne ćelije, itd., kao i kod napojnih jedinica, gustina snage se odnosi na zapreminu.
Zato se često naziva i zapreminska gustina snage i izražava u W/m
3
. Zapreminska gustina snage
je ponekad veoma važan parametar, naročito kada je prostor ograničen.
Trajanje skladištenja je pogonski ciklus sistema ili rezervoara energije i sastoji se od tri dijela:
punjenje, skladištenje, pražnjenje.
Brzina punjenja/pražnjenja je količina energije u jedinici vremena koja ulazi ili izlazi iz sistema
ili rezervoara.
Efikasnost skladištenja je odnos energije koja napusti rezervoar za vrijeme pražnjenja i
energije koja uđe u rezervoar za vrijeme punjenja.
Karakteristika punjenja i pražnjenja rezervoara su i stanje napona i nivo ispražnjenosti.
11.2. RASPOLOŽIVE TEHNOLOGIJE
Trenutno najinteresantnije tehnologije akumulacije električne energije su:
• Reverzibilne hidroelektrane;
• Sistemi za skladištenje energije u komprimirani vazduh;
• Akumulacija električne energije u obliku termalne energije;
• Tehnologija skladištenja u baterije;
• Sistemi za akumulaciju električne energije mehaničkim putem u oblik kinetičke energije;
• Senzibilni toplotni spremnici;
• Latentni toplotni spremnici;
• Termohemijski toplotni spremnici.
11.2.1. Akumulacija energije u obliku reverzibilnih hidroelektrana
Reverzibilne (pumpne) hidroelektrane predstavljaju sistem za skladištenje električne energije
koji nije skup prilikom izgradnje i održavanja, ima veliki kapacitet i dug vijek trajanja.
Reverzibilna hidroelektrana ima dva skladišta vodene mase:
Gornja akumulacija, koja ima istu ulogu kao akumulaciono jezero kod klasičnih
hidroelektrana. Gradnjom brane osigurava se akumulacija vode, koja kada protiče kroz
postrojenje ima za posljedicu proizvodnju električne energije.
Donja akumulacija koja ima ulogu da voda koja izlazi iz hidroelektrane prelazi u drugo, donje,
akumulaciono jezero i ne vraća se u osnovni tok rijeke.
Kod pumpnih hidroelektrana električna energija iz napojne mreže koristi se za pumpanje vode
iz rezervoara nižeg nivoa vode u rezervoar koji je na višem nivou, u periodima niske potrošnje.
Električna energija se tako čuva kao gravitaciona potencijalna energije vode u gornjem
skladištu. Kada je potrebno, tj. za vrijeme vršnih opterećenja mreže, voda iz gornje
akumulacije se ispušta i protiče kroz turbine na putu nazad u donju akumulaciju. Potencijalna
energija vode se time rekonvertuje u električnu energiju u turbini, odnosno generatoru.
105
Gustina snage (zapreminska gustina snage ili specifična snaga zapremine) je količina snage po
jedinici zapremine (brzina prenosa energije). Kod energetskih transformatora kao što su
baterije, gorivne ćelije, itd., kao i kod napojnih jedinica, gustina snage se odnosi na zapreminu.
Zato se često naziva i zapreminska gustina snage i izražava u W/m
3
. Zapreminska gustina snage
je ponekad veoma važan parametar, naročito kada je prostor ograničen.
Trajanje skladištenja je pogonski ciklus sistema ili rezervoara energije i sastoji se od tri dijela:
punjenje, skladištenje, pražnjenje.
Brzina punjenja/pražnjenja je količina energije u jedinici vremena koja ulazi ili izlazi iz sistema
ili rezervoara.
Efikasnost skladištenja je odnos energije koja napusti rezervoar za vrijeme pražnjenja i
energije koja uđe u rezervoar za vrijeme punjenja.
Karakteristika punjenja i pražnjenja rezervoara su i stanje napona i nivo ispražnjenosti.
11.2. RASPOLOŽIVE TEHNOLOGIJE
Trenutno najinteresantnije tehnologije akumulacije električne energije su:
• Reverzibilne hidroelektrane;
• Sistemi za skladištenje energije u komprimirani vazduh;
• Akumulacija električne energije u obliku termalne energije;
• Tehnologija skladištenja u baterije;
• Sistemi za akumulaciju električne energije mehaničkim putem u oblik kinetičke energije;
• Senzibilni toplotni spremnici;
• Latentni toplotni spremnici;
• Termohemijski toplotni spremnici.
11.2.1. Akumulacija energije u obliku reverzibilnih hidroelektrana
Reverzibilne (pumpne) hidroelektrane predstavljaju sistem za skladištenje električne energije
koji nije skup prilikom izgradnje i održavanja, ima veliki kapacitet i dug vijek trajanja.
Reverzibilna hidroelektrana ima dva skladišta vodene mase:
Gornja akumulacija, koja ima istu ulogu kao akumulaciono jezero kod klasičnih
hidroelektrana. Gradnjom brane osigurava se akumulacija vode, koja kada protiče kroz
postrojenje ima za posljedicu proizvodnju električne energije.
Donja akumulacija koja ima ulogu da voda koja izlazi iz hidroelektrane prelazi u drugo, donje,
akumulaciono jezero i ne vraća se u osnovni tok rijeke.
Kod pumpnih hidroelektrana električna energija iz napojne mreže koristi se za pumpanje vode
iz rezervoara nižeg nivoa vode u rezervoar koji je na višem nivou, u periodima niske potrošnje.
Električna energija se tako čuva kao gravitaciona potencijalna energije vode u gornjem
skladištu. Kada je potrebno, tj. za vrijeme vršnih opterećenja mreže, voda iz gornje
akumulacije se ispušta i protiče kroz turbine na putu nazad u donju akumulaciju. Potencijalna
energija vode se time rekonvertuje u električnu energiju u turbini, odnosno generatoru.
UVOD U ENERGETIKU
106
Zbog gubitaka i neefikasnosti pojedinih elemenata ovog sistema, efikasnost skladištenja može
biti niska, približno 70 %. Iako su energetski neefikasne, ipak su pumpne hidroelektrane
praktičnije od dodatne izgradnje termoelektrana za pokrivanje špiceva potrošnje, a efikasnost
skladištenja se predstavlja kao odnos izlazne električne energije i ukupne ulazne električne
energije. Sklop turbina/generator je dizajniran tako da može da radi reverzibilno, tj. oni mogu
da koriste pad vode za generisanje električne energije, kao i da koriste električne pumpe da
podignu vodu na viši nivo. Relativno niska gustina energije ovih sistema zahtjeva ili veliku
količinu vode ili podizanje manje količine vode na veliku visinu. Prednosti korištenja
reverzibilnih hidroelektrana jesu: pouzdana tehnologija, lahko održavanje i brzo pokretanje,
dok su nedostaci ti što zauzimaju velike površine i relativno dug rok otplate uloženih sredstava.
Područja primjene ovih hidroelektrana su:
• upravljanje potrošnjom;
• kontrola frekvencije;
• nerotirajuća rezerva;
• rezerva napajanja.
Slika 11.2. Šematski prikaz reverzibilne hiroelektrane
11.2.2. Akumulacija energije u obliku komprimiranog zraka
Izotermna kompresija je reverzibilni proces. To znači da mehaničku energiju koju spremimo
izotermnim pritiskom zraka u obliku energije zraka, možemo dobiti natrag izotermnom
ekspanzijom bez gubitaka. Da bismo to ostvarili, rezervoar mora biti dobro termički povezan s
okolinom, jer treba odvoditi toplotu koja se razvija prilikom kompresije, a prilikom ekspanzije
dovoditi toplotu iz okoline, kako se zrak ne bi hladio. U praksi se rezervoaru volumena V dodaje
nabijeni zrak iz okoline. U idealnom slučaju možemo pohraniti energiju:
E = p · V · ln (p/patm)
koja je jednaka energiji idealnog zraka pri pritisku p, gdje je patm atmosferski pritisak. Na ovaj
način radi reverzibilna termoelektrana Kraftwerk Huntorf u Njemačkoj snage 290 MW i
termoelektrana Alabama Electric Corporation u McIntosh, Alabama, USA, snage 110 MW.
106
Zbog gubitaka i neefikasnosti pojedinih elemenata ovog sistema, efikasnost skladištenja može
biti niska, približno 70 %. Iako su energetski neefikasne, ipak su pumpne hidroelektrane
praktičnije od dodatne izgradnje termoelektrana za pokrivanje špiceva potrošnje, a efikasnost
skladištenja se predstavlja kao odnos izlazne električne energije i ukupne ulazne električne
energije. Sklop turbina/generator je dizajniran tako da može da radi reverzibilno, tj. oni mogu
da koriste pad vode za generisanje električne energije, kao i da koriste električne pumpe da
podignu vodu na viši nivo. Relativno niska gustina energije ovih sistema zahtjeva ili veliku
količinu vode ili podizanje manje količine vode na veliku visinu. Prednosti korištenja
reverzibilnih hidroelektrana jesu: pouzdana tehnologija, lahko održavanje i brzo pokretanje,
dok su nedostaci ti što zauzimaju velike površine i relativno dug rok otplate uloženih sredstava.
Područja primjene ovih hidroelektrana su:
• upravljanje potrošnjom;
• kontrola frekvencije;
• nerotirajuća rezerva;
• rezerva napajanja.
Slika 11.2. Šematski prikaz reverzibilne hiroelektrane
11.2.2. Akumulacija energije u obliku komprimiranog zraka
Izotermna kompresija je reverzibilni proces. To znači da mehaničku energiju koju spremimo
izotermnim pritiskom zraka u obliku energije zraka, možemo dobiti natrag izotermnom
ekspanzijom bez gubitaka. Da bismo to ostvarili, rezervoar mora biti dobro termički povezan s
okolinom, jer treba odvoditi toplotu koja se razvija prilikom kompresije, a prilikom ekspanzije
dovoditi toplotu iz okoline, kako se zrak ne bi hladio. U praksi se rezervoaru volumena V dodaje
nabijeni zrak iz okoline. U idealnom slučaju možemo pohraniti energiju:
E = p · V · ln (p/patm)
koja je jednaka energiji idealnog zraka pri pritisku p, gdje je patm atmosferski pritisak. Na ovaj
način radi reverzibilna termoelektrana Kraftwerk Huntorf u Njemačkoj snage 290 MW i
termoelektrana Alabama Electric Corporation u McIntosh, Alabama, USA, snage 110 MW.
UVOD U ENERGETIKU
107
Metoda akumulacija energije u obliku komprimiranog zraka radi na principu sabijanja i
uskladištenja zraka pod pritiskom u podzemnim rezervoarima. Komprimirani zrak se skladišti
u spremnicima koji mogu biti napušteni rudnici ili prirodne špilje. U periodima niske potrošnje
električne energije zrak se komprimira pomoću kompresora koji koristi električnu energiju iz
mreže, te se pohranjuje u spremnik. U periodima visoke potrošnje električne energije taj isti
zrak se iz spremnika vraća u turbine generatora i samim tim se koristi za proizvodnju električne
energije. Kao i svi sistemi i ovi sistemi imaju svoje prednosti i nedostatke koji su pobrojani u
nastavku.
• Osnovne prednosti ovakvih sistema su :
o razne snage, umjerene brzine i rad na raznim opterećenjima,
o prebacivanje i vršna opterećenja te kontrola frekvencije i napona.
• a glavni nedostaci su :
o mala ukupna efikasnost,
o posebni zahtjevi.
U skorije vrijeme je razvijen sistem baziran na metodi akumulacije energije u obliku
komprimiranog zraka kojim su se smanjili ukupni gubici sistema. Za vrijeme kompesije,
temperature zraka često mogu dostići i do hiljadu stepeni Celzijevih, čime se velika količina
energije izgubi kao toplota. U kompaniji Light Sail Energy su razvili sistem koji unapređuje
navedeno stanje prskanjem vode na zrak tokom kompresije. Voda hladi zrak te se zagrijava, a
toplina iz vode može se korisno upotrijebiti, čime dolazi do smanjenja gubitaka energije.
Proces je jednako učinkovit kao najbolje baterije, te se za svakih 10 kWh električne energije
koja ide u sistem, 7 kWh može koristiti kad god je potrebno. Turbina koju je razvila firma ne
treba raditi na stalnoj brzini kako bi se dobila učinkovita kompresija, čime postaje idealna za
korištenje u sistemima obnovljivih izvora energije. Jedan sistem veličine standardnog
brodskog kontejnera uz jedinicu veličine automobila može pohraniti energiju koju generira
vjetroturbina od 1 MW tokom tri sata rada.
Slika 11.3. Princip rada postrojenja za akumulaciju električne energije u obliku komprimiranog zraka
107
Metoda akumulacija energije u obliku komprimiranog zraka radi na principu sabijanja i
uskladištenja zraka pod pritiskom u podzemnim rezervoarima. Komprimirani zrak se skladišti
u spremnicima koji mogu biti napušteni rudnici ili prirodne špilje. U periodima niske potrošnje
električne energije zrak se komprimira pomoću kompresora koji koristi električnu energiju iz
mreže, te se pohranjuje u spremnik. U periodima visoke potrošnje električne energije taj isti
zrak se iz spremnika vraća u turbine generatora i samim tim se koristi za proizvodnju električne
energije. Kao i svi sistemi i ovi sistemi imaju svoje prednosti i nedostatke koji su pobrojani u
nastavku.
• Osnovne prednosti ovakvih sistema su :
o razne snage, umjerene brzine i rad na raznim opterećenjima,
o prebacivanje i vršna opterećenja te kontrola frekvencije i napona.
• a glavni nedostaci su :
o mala ukupna efikasnost,
o posebni zahtjevi.
U skorije vrijeme je razvijen sistem baziran na metodi akumulacije energije u obliku
komprimiranog zraka kojim su se smanjili ukupni gubici sistema. Za vrijeme kompesije,
temperature zraka često mogu dostići i do hiljadu stepeni Celzijevih, čime se velika količina
energije izgubi kao toplota. U kompaniji Light Sail Energy su razvili sistem koji unapređuje
navedeno stanje prskanjem vode na zrak tokom kompresije. Voda hladi zrak te se zagrijava, a
toplina iz vode može se korisno upotrijebiti, čime dolazi do smanjenja gubitaka energije.
Proces je jednako učinkovit kao najbolje baterije, te se za svakih 10 kWh električne energije
koja ide u sistem, 7 kWh može koristiti kad god je potrebno. Turbina koju je razvila firma ne
treba raditi na stalnoj brzini kako bi se dobila učinkovita kompresija, čime postaje idealna za
korištenje u sistemima obnovljivih izvora energije. Jedan sistem veličine standardnog
brodskog kontejnera uz jedinicu veličine automobila može pohraniti energiju koju generira
vjetroturbina od 1 MW tokom tri sata rada.
Slika 11.3. Princip rada postrojenja za akumulaciju električne energije u obliku komprimiranog zraka
UVOD U ENERGETIKU
108
11.2.3. Akumulacija energije u obliku termalne energije
Veliki akumulacioni kapaciteti mogu biti realizovani korištenjem termalnih akumulatora.
Osnovna ideja je da se održe dva rezervoara, na različitim temperaturama. U fazi akumuliranja,
elektricična energija se koristi da pokreće toplotnu pumpu koja uzima energiju od
niskotemperaturnog rezervoara i pohranjuje je u visokotemperaturni rezervoar. U fazi
potrošnje, toplota visokotemperaturnog rezervoara se transformiše u mehaničku energiju u
termalnom motoru. Zbog toga što se ne očekuje velika efikasnost konvencionalnih termalnih
akumulatora energije, nove tehnologije toplotnih pumpi, razvijene od strane kompanije
SAIPEM iz Milana, imaju efikasnost koja može biti preko 70 %. Slika 11.4. i 11.5. sumiraju
princip tipične instalacije.
Srednjepritisne i visokopritisne komore su ispunjene poroznim čvrstim tijelom koje dopušta
cirkulaciju zraka i razmjenu toplote. Argon se koristi kao gas koji cirkuliše. Protoci energije su
pokazani na slici 11.4, pretpostavljajući propusnost od 90 % za kompresore i ekspandere i
faktor pojačanja 3 za toplotnu pumpu. Kao što se može vidjeti na slici dno srednjepritisne
komore je hladno dok je gornji dio na srednjoj temperaturi. Vrh gornjeg dijela visokopritisne
komore je na visokoj temperaturi dok je donji dio na temperaturi okoline. Tokom faze
akumuliranja, čvrsto tijelo srednjepritisne komore se progresivno hladi dok se visokopritisna
komora zagrijava. Termalni front se pomiče prema gore u srednjepritisnoj komori dok se u
visokopritisnoj komori pomiče prema dole.
Slika 11.4. Princip i protok energije za fazu skladištenja energije
U fazi potrošnje termalni front se pomiče u suprotnom pravcu. Na slici 11.5. propusnost od
vruće turbine do električnog generatora spušta se do 22 % (78/330). Međutim, poredeći sa
ulazom u fazi akumulacije (100 kWh), propusnost je 78 %. To je samo zbog toga što se sistem
toplotne pumpe koristi da pumpa toplotu od hladnog izvora prema toplom. Koristeći 100 kWh
na početku, 200 kWh može biti pumpano iz srednjepritisne komore i 30 kWh iz hladne turbine.
Ovaj trik omogućava povećanje propustivosti sistema akumulacije termalne energije vodeći
do učinaka sličnih kao kod pumpnih hidro-akumulatora. Sa sadašnjom tehnologijom i
postrojenjima koja rade na oko 800
o
C, može se dostići efikasnost preko 70%, sa kapacitetom
akumulacije između 35 i 50 kWh/m
3
. Povećanje temperature na 1.000 – 1.200
o
C bi povećalo
efikasnost i preko 80% i omogućilo akumulaciju od oko 60 – 100 kWh/m
3
. Zbog toga što to nije
limitirano na određenoj geografskoj lokaciji sa odgovarajućim geološkim osobinama, termalni
akumulator, kombinovan sa toplotnom pumpom, je vrlo primamljiva solucija za rješavanje
problema akumulacije energije.
108
11.2.3. Akumulacija energije u obliku termalne energije
Veliki akumulacioni kapaciteti mogu biti realizovani korištenjem termalnih akumulatora.
Osnovna ideja je da se održe dva rezervoara, na različitim temperaturama. U fazi akumuliranja,
elektricična energija se koristi da pokreće toplotnu pumpu koja uzima energiju od
niskotemperaturnog rezervoara i pohranjuje je u visokotemperaturni rezervoar. U fazi
potrošnje, toplota visokotemperaturnog rezervoara se transformiše u mehaničku energiju u
termalnom motoru. Zbog toga što se ne očekuje velika efikasnost konvencionalnih termalnih
akumulatora energije, nove tehnologije toplotnih pumpi, razvijene od strane kompanije
SAIPEM iz Milana, imaju efikasnost koja može biti preko 70 %. Slika 11.4. i 11.5. sumiraju
princip tipične instalacije.
Srednjepritisne i visokopritisne komore su ispunjene poroznim čvrstim tijelom koje dopušta
cirkulaciju zraka i razmjenu toplote. Argon se koristi kao gas koji cirkuliše. Protoci energije su
pokazani na slici 11.4, pretpostavljajući propusnost od 90 % za kompresore i ekspandere i
faktor pojačanja 3 za toplotnu pumpu. Kao što se može vidjeti na slici dno srednjepritisne
komore je hladno dok je gornji dio na srednjoj temperaturi. Vrh gornjeg dijela visokopritisne
komore je na visokoj temperaturi dok je donji dio na temperaturi okoline. Tokom faze
akumuliranja, čvrsto tijelo srednjepritisne komore se progresivno hladi dok se visokopritisna
komora zagrijava. Termalni front se pomiče prema gore u srednjepritisnoj komori dok se u
visokopritisnoj komori pomiče prema dole.
Slika 11.4. Princip i protok energije za fazu skladištenja energije
U fazi potrošnje termalni front se pomiče u suprotnom pravcu. Na slici 11.5. propusnost od
vruće turbine do električnog generatora spušta se do 22 % (78/330). Međutim, poredeći sa
ulazom u fazi akumulacije (100 kWh), propusnost je 78 %. To je samo zbog toga što se sistem
toplotne pumpe koristi da pumpa toplotu od hladnog izvora prema toplom. Koristeći 100 kWh
na početku, 200 kWh može biti pumpano iz srednjepritisne komore i 30 kWh iz hladne turbine.
Ovaj trik omogućava povećanje propustivosti sistema akumulacije termalne energije vodeći
do učinaka sličnih kao kod pumpnih hidro-akumulatora. Sa sadašnjom tehnologijom i
postrojenjima koja rade na oko 800
o
C, može se dostići efikasnost preko 70%, sa kapacitetom
akumulacije između 35 i 50 kWh/m
3
. Povećanje temperature na 1.000 – 1.200
o
C bi povećalo
efikasnost i preko 80% i omogućilo akumulaciju od oko 60 – 100 kWh/m
3
. Zbog toga što to nije
limitirano na određenoj geografskoj lokaciji sa odgovarajućim geološkim osobinama, termalni
akumulator, kombinovan sa toplotnom pumpom, je vrlo primamljiva solucija za rješavanje
problema akumulacije energije.
UVOD U ENERGETIKU
109
Slika 11.5. Šema i protok energije za fazu potrošnje energije
11.3. ELEKTROHEMIJSKE BATERIJE
Baterija je elektrohemijski uređaj u kome je uskladištena hemijska energija (u vidu
potencijalne energije), koja se može pretvoriti u električnu energiju kada se krajevi baterije,
elektrode, spoje provodnikom. Dakle, baterije su mali prenosni elektrohemijski izvori energije
koji se sastoje od jedne ili više galvanskih ćelija. Obična baterija od 1,5 V se sastoji od jedne
galvanske ćelije. Ako se više galvanskih ćelija serijski vežu tada se dobija napon koji je jednak
zbiru napona svih ćelija (to je iskorišteno kod olovnih akumulatora). Moderne baterije rade na
principu koji je izumio italijanski fizičar Alesandro Volta 1800. godine. Općenito, bateriju čini
katoda, anoda i elektrolit, slika 11.6.
Slika 11.6. Presjek elektrohemijske baterije
Ćelije u bateriji mogu biti povezane paralelno, serijski ili kombinovano. Paralelna veza
predstavlja vezu istoimenih elektroda i daje isti napon kao jedna ćelija, ali jaču struju zbog
smanjene unutrašnje otpornosti izvora. Serijska veza predstavlja vezu gdje se katoda jedne
vezuje na anodu druge ćelije, što na kraju daje istu struju kao jedna ćelija ali veći napon.
Najveći broj baterija koje se koriste u praksi ima serijsku vezu.
Općenito, baterije mogu biti primarne i sekundarne. Hemijska energija koju sadrži aktivni
materijal transformiše se u električnu energiju na zahtjev. Kada se primarna baterija jedanput
potroši, više ne može biti korištena. Sekundarne baterije ili akumulatori mogu se puniti ponovo
i kao takve su mnogo interesantnije kao efikasna tehnologija za akumulaciju električne
energije.
109
Slika 11.5. Šema i protok energije za fazu potrošnje energije
11.3. ELEKTROHEMIJSKE BATERIJE
Baterija je elektrohemijski uređaj u kome je uskladištena hemijska energija (u vidu
potencijalne energije), koja se može pretvoriti u električnu energiju kada se krajevi baterije,
elektrode, spoje provodnikom. Dakle, baterije su mali prenosni elektrohemijski izvori energije
koji se sastoje od jedne ili više galvanskih ćelija. Obična baterija od 1,5 V se sastoji od jedne
galvanske ćelije. Ako se više galvanskih ćelija serijski vežu tada se dobija napon koji je jednak
zbiru napona svih ćelija (to je iskorišteno kod olovnih akumulatora). Moderne baterije rade na
principu koji je izumio italijanski fizičar Alesandro Volta 1800. godine. Općenito, bateriju čini
katoda, anoda i elektrolit, slika 11.6.
Slika 11.6. Presjek elektrohemijske baterije
Ćelije u bateriji mogu biti povezane paralelno, serijski ili kombinovano. Paralelna veza
predstavlja vezu istoimenih elektroda i daje isti napon kao jedna ćelija, ali jaču struju zbog
smanjene unutrašnje otpornosti izvora. Serijska veza predstavlja vezu gdje se katoda jedne
vezuje na anodu druge ćelije, što na kraju daje istu struju kao jedna ćelija ali veći napon.
Najveći broj baterija koje se koriste u praksi ima serijsku vezu.
Općenito, baterije mogu biti primarne i sekundarne. Hemijska energija koju sadrži aktivni
materijal transformiše se u električnu energiju na zahtjev. Kada se primarna baterija jedanput
potroši, više ne može biti korištena. Sekundarne baterije ili akumulatori mogu se puniti ponovo
i kao takve su mnogo interesantnije kao efikasna tehnologija za akumulaciju električne
energije.
UVOD U ENERGETIKU
110
Tehnologija skladištenja energije u baterije se oslanja na određene elektrohemijske reakcije.
Energija sadržana u hemijskim vezama aktivnog materijala se vraća natrag u električnu
energiju kroz niz reakcija oksidacije/redukcije (redoks). Danas se koristi niz različitih vrsta
baterija, kao što su:
• litijum-jonske (Li-ion),
• natrijum-sumporne (NaS),
• nikl - metal hidridne (NiMH),
• protočne baterije,
• olovno-sulfatne (PB-kiselina) i
• nikl-kadmijumske (NiCD).
11.3.1. Li-Ion baterije
Li-Ion baterije su savremen tip baterije koje danas preovladavaju kao izvor napajanja mobilnih
telefona, digitalnih fotoaparata, laptop računara, kamera itd. Odlikuje ih mala masa, znatno
veći kapacitet od NiMH baterija i veći napon (3,6 V). S druge strane, same po sebi su vrlo
osjetljive i zato se standardno isporučuju s elektronikom koja reguliše njihovo punjenje i
pražnjenje. Li-Ion baterije ne pokazuju memorijski efekat. Zanimljivo je da Li-Ion baterija
prilikom punjenja vrlo brzo postigne 70-80% kapaciteta, dok je za punjenje do 100% potrebno
barem još toliko vremena. Li-Ion baterije pune se složenim i vrlo preciznim postupkom i ne
preporučuje se nikakvo drugo punjenje nego na punjačima koji su za njih namijenjeni.
Slika 11.7. Litijum – jonska baterija
Elektronika ugrađena u svaku Li-Ion bateriju brine se o tome da se baterija ne napuni, niti
isprazni van dozvoljenih granica (koje su jako precizne, naročito gornja). Li-Ion bateriju možete
puniti kad god želite i koliko želite, ipak treba da se uzme u obzir da veći broj ciklusa
pražnjenja/punjenja proporcionalno smanjuje životni vijek baterije. Litijum-jonske baterije
mogu da izdrže 300 do 500 pražnjenja prije nego što izgube toliko kapaciteta da se moraju
zamijeniti, ali to zavisi od raznih faktora, uključujući i temperaturu na kojoj baterija radi.
11.3.2. NaS baterija
NaS baterija je vrsta "suhe" baterije i sastoji se od pozitivne elektrode - sumpora (S), negativne
elektrode - natrijuma (Na) i keramičkog elektrolita - Beta alumina, koji ima svojstva provođenja
natrijum jona i koji se nalazi između elektroda. Sve je to oklopljeno u metalnom kućištu i
održavano pod radnom temperaturom od oko 300°C. U takvim uslovima, elektrolit je u
čvrstom stanju, a aktivne elektrode su u tečnom stanju. Za vrijeme pražnjenja baterije,
110
Tehnologija skladištenja energije u baterije se oslanja na određene elektrohemijske reakcije.
Energija sadržana u hemijskim vezama aktivnog materijala se vraća natrag u električnu
energiju kroz niz reakcija oksidacije/redukcije (redoks). Danas se koristi niz različitih vrsta
baterija, kao što su:
• litijum-jonske (Li-ion),
• natrijum-sumporne (NaS),
• nikl - metal hidridne (NiMH),
• protočne baterije,
• olovno-sulfatne (PB-kiselina) i
• nikl-kadmijumske (NiCD).
11.3.1. Li-Ion baterije
Li-Ion baterije su savremen tip baterije koje danas preovladavaju kao izvor napajanja mobilnih
telefona, digitalnih fotoaparata, laptop računara, kamera itd. Odlikuje ih mala masa, znatno
veći kapacitet od NiMH baterija i veći napon (3,6 V). S druge strane, same po sebi su vrlo
osjetljive i zato se standardno isporučuju s elektronikom koja reguliše njihovo punjenje i
pražnjenje. Li-Ion baterije ne pokazuju memorijski efekat. Zanimljivo je da Li-Ion baterija
prilikom punjenja vrlo brzo postigne 70-80% kapaciteta, dok je za punjenje do 100% potrebno
barem još toliko vremena. Li-Ion baterije pune se složenim i vrlo preciznim postupkom i ne
preporučuje se nikakvo drugo punjenje nego na punjačima koji su za njih namijenjeni.
Slika 11.7. Litijum – jonska baterija
Elektronika ugrađena u svaku Li-Ion bateriju brine se o tome da se baterija ne napuni, niti
isprazni van dozvoljenih granica (koje su jako precizne, naročito gornja). Li-Ion bateriju možete
puniti kad god želite i koliko želite, ipak treba da se uzme u obzir da veći broj ciklusa
pražnjenja/punjenja proporcionalno smanjuje životni vijek baterije. Litijum-jonske baterije
mogu da izdrže 300 do 500 pražnjenja prije nego što izgube toliko kapaciteta da se moraju
zamijeniti, ali to zavisi od raznih faktora, uključujući i temperaturu na kojoj baterija radi.
11.3.2. NaS baterija
NaS baterija je vrsta "suhe" baterije i sastoji se od pozitivne elektrode - sumpora (S), negativne
elektrode - natrijuma (Na) i keramičkog elektrolita - Beta alumina, koji ima svojstva provođenja
natrijum jona i koji se nalazi između elektroda. Sve je to oklopljeno u metalnom kućištu i
održavano pod radnom temperaturom od oko 300°C. U takvim uslovima, elektrolit je u
čvrstom stanju, a aktivne elektrode su u tečnom stanju. Za vrijeme pražnjenja baterije,
UVOD U ENERGETIKU
111
odnosno korištenja energije, joni natrijuma prelaze iz negativne elektrode kroz elektrolit i
zaustavljaju se na pozitivnoj elektrodi - sumporu. Strujni krug se zatvara kroz strujni krug
potrošača te energije. Za vrijeme punjenja baterije, spolja dovedeni napon, uslovljava proces
suprotan onom opisanom pri pražnjenju i na taj način puni bateriju električnom energijom.
Slika 11.8. Natrijum – sumporna baterija
11.3.3. NiMH (Nickel Metal Hydride) baterije
Nikl-metal-hidridna baterija (NiMH) pripada skupini punjivih baterija na bazi nikla. Spada u
drugu generaciju takve vrste baterija, u sekundarne elektrohemijske baterije. Tehnološki
predstavlja generaciju baterija koje su naslijedile nikl-kadmijevu bateriju. U ovoj generaciji
niklovih baterija riješena je jedna od velikih mana, a to je toksičnost, budući da su nikl-
kadmijeve baterije sadržavale toksični kadmij. Kadmij je nadomješten hidridom, legurom sa
vodikom, koja nije toksična, a taj hidrid je negativna elektroda. Osim što je ekološki bolji, novi
element u bateriji pridonio je energetskom poboljšanju. Gustoće je energije do 50 % veća nego
kod nikl-kadmijevih prethodnika, odnosno kapacitet im je veći od 2 do 3 puta. NiMH baterije
su većeg kapaciteta i u usporedbi s naprednijom generacijom baterija, litij-ionskih baterija.
Poboljšanje je postignuto i kod kristalizacijskog efekta koja je znatno manje vidljiva kod ove
generacije niklovih baterija nego što je bilo kod Ni-Cd baterija. Time korisnici nemaju zahtjevno
održavanje, nego tek toliko da se taj efekt ne pojavljuje. Mana ove baterije je dvostruko kraći
životni vijek, ali zbog mogućnosti česte upotrebe i mnoštva ciklusa, ova slabost nije uočljiva.
Druga slabost ove baterije je snažnije samopražnjenje baterije koje je najveće u prvom danu
nakon punjenja, a poslije taj efekat opada.
Slika 11.9. NiMH baterija
111
odnosno korištenja energije, joni natrijuma prelaze iz negativne elektrode kroz elektrolit i
zaustavljaju se na pozitivnoj elektrodi - sumporu. Strujni krug se zatvara kroz strujni krug
potrošača te energije. Za vrijeme punjenja baterije, spolja dovedeni napon, uslovljava proces
suprotan onom opisanom pri pražnjenju i na taj način puni bateriju električnom energijom.
Slika 11.8. Natrijum – sumporna baterija
11.3.3. NiMH (Nickel Metal Hydride) baterije
Nikl-metal-hidridna baterija (NiMH) pripada skupini punjivih baterija na bazi nikla. Spada u
drugu generaciju takve vrste baterija, u sekundarne elektrohemijske baterije. Tehnološki
predstavlja generaciju baterija koje su naslijedile nikl-kadmijevu bateriju. U ovoj generaciji
niklovih baterija riješena je jedna od velikih mana, a to je toksičnost, budući da su nikl-
kadmijeve baterije sadržavale toksični kadmij. Kadmij je nadomješten hidridom, legurom sa
vodikom, koja nije toksična, a taj hidrid je negativna elektroda. Osim što je ekološki bolji, novi
element u bateriji pridonio je energetskom poboljšanju. Gustoće je energije do 50 % veća nego
kod nikl-kadmijevih prethodnika, odnosno kapacitet im je veći od 2 do 3 puta. NiMH baterije
su većeg kapaciteta i u usporedbi s naprednijom generacijom baterija, litij-ionskih baterija.
Poboljšanje je postignuto i kod kristalizacijskog efekta koja je znatno manje vidljiva kod ove
generacije niklovih baterija nego što je bilo kod Ni-Cd baterija. Time korisnici nemaju zahtjevno
održavanje, nego tek toliko da se taj efekt ne pojavljuje. Mana ove baterije je dvostruko kraći
životni vijek, ali zbog mogućnosti česte upotrebe i mnoštva ciklusa, ova slabost nije uočljiva.
Druga slabost ove baterije je snažnije samopražnjenje baterije koje je najveće u prvom danu
nakon punjenja, a poslije taj efekat opada.
Slika 11.9. NiMH baterija
UVOD U ENERGETIKU
112
11.3.4. Protočne baterije
Većina baterija sadrži sav elektrolit i elektrode unutar jednog kućišta. Protočna baterija je
neobična zbog toga što je glavnina elektrolita, uključujući i otopljene reaktivne vrste,
smještena u različitim odjeljcima. Elektroliti se pumpaju kroz reaktor koji sadrži elektrode,
kada se baterija puni ili prazni. Zato što su elektrode očuvane, a elektrolit izgara, "protočnu
bateriju" možemo zvati i kao reverzibilnu gorivnu ćeliju. Ovakav tip baterija obično se koristi
za skladištenje velikih količina energije (kWh – multi MWh). Od nekoliko tipova koji su
razvijeni, neki su trenutno od komercijalnog interesa, uključujući tu željezo/krom protočnu
bateriju, vanadijum redoks bateriju i cink – brom protočnu bateriju.
Slika 11.10. Princip rada protočne baterije
11.3.5. Olovne baterije
Olovne baterije se još nazivaju i olovni akumulatori i imaju najširu primjenu. Izumljene su 1859.
godine od strane francuskog fizičara Gaston Planté. Sistem koji je razvio Planté nije bio
pogodan za korištenje, tako da su olovne baterije zapravo komercijalizovane 1881. godine,
nakon značajnih unapređenja od strane Henri Owen Tudor-a u Luksemburgu i od strane Emile
Alphonse Faure-a u Francuskoj, koji su poboljšali tehnologiju i tako učinili izgradnju i upotrebu
jednostavnijom. U suštini, ista tehnologija se koristi i danas. Čak i prije početka 20. stoljeća,
olovne baterije su korištene za snadbijevanje električnih automobila. Međutim, motori s
unutrašnjim sagorijevanjem i dizel- motori su postali značajno konkurentniji, a električni
automobili sve više zamijenjuju automobile koji koriste navedene motore. U kasnim 1980-tim
ponovo je poraslo interesovanje za električnim automobilima pogonjenim olovnim
baterijama. Nažalost, domet takvih automobila je značajno manji (oko 100 km za automobil
srednje veličine) i punjenje traje dugo, između 5 i 7 h. Nikl-kadmijum i Ni-MH baterije su
mnogo bolje u pogledu spremanja energije i omogućavaju veći domet električnim
automobilima. Međutim, te baterije su značajno skuplje. Najčešća primjena olovnih baterija
je za paljenje automobila. Velika prednost ovih baterija je niska cijena u odnosu na ostale
tehnologije. Kreće se oko 100 $/kWh za baterije u automobilu, ali može biti mnogo skuplja za
manje jedinice olovnih baterija. Ovo je mnogo jeftinije u odnosu na Li-ion baterije čija je cijena
oko 800 $/kWh. Akumulator od 12 V se sastoji od 6 galvanskih ćelija vezanih serijski sa
naponom od 2V. Katoda se sastoji od olovo(IV)-oksida, a anoda od čistog olova. Obje elektrode
su uronjene u sumpornu kiselinu.
112
11.3.4. Protočne baterije
Većina baterija sadrži sav elektrolit i elektrode unutar jednog kućišta. Protočna baterija je
neobična zbog toga što je glavnina elektrolita, uključujući i otopljene reaktivne vrste,
smještena u različitim odjeljcima. Elektroliti se pumpaju kroz reaktor koji sadrži elektrode,
kada se baterija puni ili prazni. Zato što su elektrode očuvane, a elektrolit izgara, "protočnu
bateriju" možemo zvati i kao reverzibilnu gorivnu ćeliju. Ovakav tip baterija obično se koristi
za skladištenje velikih količina energije (kWh – multi MWh). Od nekoliko tipova koji su
razvijeni, neki su trenutno od komercijalnog interesa, uključujući tu željezo/krom protočnu
bateriju, vanadijum redoks bateriju i cink – brom protočnu bateriju.
Slika 11.10. Princip rada protočne baterije
11.3.5. Olovne baterije
Olovne baterije se još nazivaju i olovni akumulatori i imaju najširu primjenu. Izumljene su 1859.
godine od strane francuskog fizičara Gaston Planté. Sistem koji je razvio Planté nije bio
pogodan za korištenje, tako da su olovne baterije zapravo komercijalizovane 1881. godine,
nakon značajnih unapređenja od strane Henri Owen Tudor-a u Luksemburgu i od strane Emile
Alphonse Faure-a u Francuskoj, koji su poboljšali tehnologiju i tako učinili izgradnju i upotrebu
jednostavnijom. U suštini, ista tehnologija se koristi i danas. Čak i prije početka 20. stoljeća,
olovne baterije su korištene za snadbijevanje električnih automobila. Međutim, motori s
unutrašnjim sagorijevanjem i dizel- motori su postali značajno konkurentniji, a električni
automobili sve više zamijenjuju automobile koji koriste navedene motore. U kasnim 1980-tim
ponovo je poraslo interesovanje za električnim automobilima pogonjenim olovnim
baterijama. Nažalost, domet takvih automobila je značajno manji (oko 100 km za automobil
srednje veličine) i punjenje traje dugo, između 5 i 7 h. Nikl-kadmijum i Ni-MH baterije su
mnogo bolje u pogledu spremanja energije i omogućavaju veći domet električnim
automobilima. Međutim, te baterije su značajno skuplje. Najčešća primjena olovnih baterija
je za paljenje automobila. Velika prednost ovih baterija je niska cijena u odnosu na ostale
tehnologije. Kreće se oko 100 $/kWh za baterije u automobilu, ali može biti mnogo skuplja za
manje jedinice olovnih baterija. Ovo je mnogo jeftinije u odnosu na Li-ion baterije čija je cijena
oko 800 $/kWh. Akumulator od 12 V se sastoji od 6 galvanskih ćelija vezanih serijski sa
naponom od 2V. Katoda se sastoji od olovo(IV)-oksida, a anoda od čistog olova. Obje elektrode
su uronjene u sumpornu kiselinu.
UVOD U ENERGETIKU
113
Polućelijske reakcije olovne baterije su:
PbO2 + H2SO4 + 2H
+
+ 2e
-
↔ PbSO4 + 2H2O - na katodi
Pb + H2SO4 ↔ PbSO4 + 2H
+
+ 2e
-
- na anodi
Opća reakcija:
Pb + PbO2 + 2H2SO4 ↔ 2PbSO4 + 2H2O
Slika 11.11. Olovna baterija
11.3.6. NiCd baterije
Nikl-kadmijum baterija koristi nikl-oksihidroksid i metal kadmijum kao elektrode. NiCd baterije
imaju veću gustoću energije (oko 100 Wh/L) nego olovne baterije. Njihov standardni
termodinamički reverzibilni potencijal od 1,35 V dozvoljava nominalni operativni/iskoristivi
potencijal od oko 1,2 V što ih čini pogodnim da zamijene neobnovljive baterije u mnogim
primjenama. Njihova velika prednost je mogućnost ponovnog punjenja. Nekoliko osnovnih
ćelija može biti grupisano da obezbijedi veći izlazni napon. Na primjer, vezivanjem šest ćelija
u seriju daje napon od 7,2 V. Optimalno vrijeme punjenja je 16 h, ali brzo punjenje može biti
završeno za 3h ili manje. Našle su primjenu gdje je visoka stopa pražnjenja i dug vijek trajanja
neophodan. Imaju nizak unutrašnji otpor koji im dozvoljava da generišu visoku električnu
energiju. Iz toga razloga su veoma korisne za primjenu koja zahtjeva trenutnu veliku snagu.
Također mogu biti korištene u velikom intervalu temperatura. Gustina energije ovih baterija
nije tako velika kao kod drugih, a Cd je toksičan metal. Opseg izdržljivosti ovih baterija je
između 1.000 i 2.000 ciklusa, a snaga koju mogu isporučiti doseže vrijednost od 150 W/kg. Broj
ciklusa može biti unaprijeđen ako baterija funkcioniše sa niskom stopom punjenja i pražnjenja.
Također mogu funkcionisati na niskim temperaturama što je prednost u nekim slučajevima.
Ranije su NiCd baterije pokazivale efekat memorije, što znači da je baterija pamtila koliko je
energije isporučeno u procesima pražnjenja. Ovo može voditi smanjenju efikasnost baterije.
Ovakvi efekti baterije su danas nestali. Međutim, drugi efekti, također nazvani efekti memorije
su prisutni u modernim NiCd baterijama.
Slika 11.12. NiCd baterija
113
Polućelijske reakcije olovne baterije su:
PbO2 + H2SO4 + 2H
+
+ 2e
-
↔ PbSO4 + 2H2O - na katodi
Pb + H2SO4 ↔ PbSO4 + 2H
+
+ 2e
-
- na anodi
Opća reakcija:
Pb + PbO2 + 2H2SO4 ↔ 2PbSO4 + 2H2O
Slika 11.11. Olovna baterija
11.3.6. NiCd baterije
Nikl-kadmijum baterija koristi nikl-oksihidroksid i metal kadmijum kao elektrode. NiCd baterije
imaju veću gustoću energije (oko 100 Wh/L) nego olovne baterije. Njihov standardni
termodinamički reverzibilni potencijal od 1,35 V dozvoljava nominalni operativni/iskoristivi
potencijal od oko 1,2 V što ih čini pogodnim da zamijene neobnovljive baterije u mnogim
primjenama. Njihova velika prednost je mogućnost ponovnog punjenja. Nekoliko osnovnih
ćelija može biti grupisano da obezbijedi veći izlazni napon. Na primjer, vezivanjem šest ćelija
u seriju daje napon od 7,2 V. Optimalno vrijeme punjenja je 16 h, ali brzo punjenje može biti
završeno za 3h ili manje. Našle su primjenu gdje je visoka stopa pražnjenja i dug vijek trajanja
neophodan. Imaju nizak unutrašnji otpor koji im dozvoljava da generišu visoku električnu
energiju. Iz toga razloga su veoma korisne za primjenu koja zahtjeva trenutnu veliku snagu.
Također mogu biti korištene u velikom intervalu temperatura. Gustina energije ovih baterija
nije tako velika kao kod drugih, a Cd je toksičan metal. Opseg izdržljivosti ovih baterija je
između 1.000 i 2.000 ciklusa, a snaga koju mogu isporučiti doseže vrijednost od 150 W/kg. Broj
ciklusa može biti unaprijeđen ako baterija funkcioniše sa niskom stopom punjenja i pražnjenja.
Također mogu funkcionisati na niskim temperaturama što je prednost u nekim slučajevima.
Ranije su NiCd baterije pokazivale efekat memorije, što znači da je baterija pamtila koliko je
energije isporučeno u procesima pražnjenja. Ovo može voditi smanjenju efikasnost baterije.
Ovakvi efekti baterije su danas nestali. Međutim, drugi efekti, također nazvani efekti memorije
su prisutni u modernim NiCd baterijama.
Slika 11.12. NiCd baterija
UVOD U ENERGETIKU
114
11.4. AKUMULACIJA ENERGIJE U OBLIKU KINETIČKE ENERGIJE
Energiju možemo pohraniti i u obliku kinetičke energije okretanja, naprimjer, masivnog valjka
ili kotača. Takav valjak bi se u vrijeme kada električna mreža nije opterećena pokrenuo
elektromagnetnim putem u rotaciono kretanje, a u vrijeme nedostatka energije generator bi
kinetičku energiju rotacije pretvarao u električnu energiju. Iz fizike je poznato da je energija
akumulisana u zamajcu (rotoru) proporcionalna masi i kvadratu brzine. Ta zavisnost je uticala
na dva pristupa kada je u pitanju projektovanje ovih sistema:
• veliki, masivni zamajci koji se sporo vrte,
• mali, lahki zamajci koji se vrte velikom brzinom.
Niskobrzinski zamajci se prave od čelika i rotiraju brzinom do 10.000 obrtaja u minuti, dok
visokobrzinski zamajci mogu da akumuliraju više energije ali zahtjevaju egzotične materijale
kao što su grafiti i kompoziti stakla. To su valjci izrađeni od posebnog materijala koji lebde na
magnetskim ležajevima u vakuumu i okreću se frekvencijom i do 1.000 obrtaja u sekundi.
Princip rada ovakvih sistema za akumulaciju energije u obliku kinetičke energije prikazan je na
slici 11.13.
Slika 11.13. Princip rada akumulacije energije u obliku kinetičke energije
11.5. AKUMULACIJA TOPLOTNE ENERGIJE
Postoje tri osnovna načina da se akumulira toplota, i to kao:
1. senzibilna toplota,
2. latentna toplota,
3. termohemijska toplota.
Senzibilni toplotni spremnici su daleko najrasprostranjeniji način akumuliranja toplote. Sa
porastom akumulirane toplote u mediju raste i temperatura medija. Senzibilni toplotni
spremnik koristi toplotni kapacitet materijala u toku punjenja i pražnjenja. Količina
akumulirane toplote je ovisna o masi, specifičnom toplotnom kapacitetu materijala i razlici
temperature. Na slici 11.14., grafički je prikazana ovisnost temperature i akumulirane toplote
u materijalu u kojem se pohranjuje senzibilna toplota. Kako bi bio što učinkovitiji, materijal
koji se koristi za akumuliranje toplote mora imati velik toplotni kapacitet, umjerenu vodljivost,
umjerenu gustoću i veliku emisivnost. Kao materijal za senzibilne toplotne spremnike najčešće
se koriste krute tvari (kamen, beton) ili tekućina (voda).
114
11.4. AKUMULACIJA ENERGIJE U OBLIKU KINETIČKE ENERGIJE
Energiju možemo pohraniti i u obliku kinetičke energije okretanja, naprimjer, masivnog valjka
ili kotača. Takav valjak bi se u vrijeme kada električna mreža nije opterećena pokrenuo
elektromagnetnim putem u rotaciono kretanje, a u vrijeme nedostatka energije generator bi
kinetičku energiju rotacije pretvarao u električnu energiju. Iz fizike je poznato da je energija
akumulisana u zamajcu (rotoru) proporcionalna masi i kvadratu brzine. Ta zavisnost je uticala
na dva pristupa kada je u pitanju projektovanje ovih sistema:
• veliki, masivni zamajci koji se sporo vrte,
• mali, lahki zamajci koji se vrte velikom brzinom.
Niskobrzinski zamajci se prave od čelika i rotiraju brzinom do 10.000 obrtaja u minuti, dok
visokobrzinski zamajci mogu da akumuliraju više energije ali zahtjevaju egzotične materijale
kao što su grafiti i kompoziti stakla. To su valjci izrađeni od posebnog materijala koji lebde na
magnetskim ležajevima u vakuumu i okreću se frekvencijom i do 1.000 obrtaja u sekundi.
Princip rada ovakvih sistema za akumulaciju energije u obliku kinetičke energije prikazan je na
slici 11.13.
Slika 11.13. Princip rada akumulacije energije u obliku kinetičke energije
11.5. AKUMULACIJA TOPLOTNE ENERGIJE
Postoje tri osnovna načina da se akumulira toplota, i to kao:
1. senzibilna toplota,
2. latentna toplota,
3. termohemijska toplota.
Senzibilni toplotni spremnici su daleko najrasprostranjeniji način akumuliranja toplote. Sa
porastom akumulirane toplote u mediju raste i temperatura medija. Senzibilni toplotni
spremnik koristi toplotni kapacitet materijala u toku punjenja i pražnjenja. Količina
akumulirane toplote je ovisna o masi, specifičnom toplotnom kapacitetu materijala i razlici
temperature. Na slici 11.14., grafički je prikazana ovisnost temperature i akumulirane toplote
u materijalu u kojem se pohranjuje senzibilna toplota. Kako bi bio što učinkovitiji, materijal
koji se koristi za akumuliranje toplote mora imati velik toplotni kapacitet, umjerenu vodljivost,
umjerenu gustoću i veliku emisivnost. Kao materijal za senzibilne toplotne spremnike najčešće
se koriste krute tvari (kamen, beton) ili tekućina (voda).
UVOD U ENERGETIKU
115
Latentni toplotni spremnici se temelje na akumulaciji toplote u toku fazne promjene
materijala iz čvrstog stanja u tekuće ili tekućeg u plinovito i otpuštanju toplote u obrnutom
slučaju. Akumulirana toplota se u tom slučaju računa kao proizvod specifične toplote taljenja
i mase. Ovakvi spremnici akumuliraju veliku količinu toplote u sebe bez velike promjene
vlastite temperature. Neke od vrsta materijala korištenih u akumuliranju latentnim toplinskim
spremnicima:
• hidrati anorganskih soli,
• alkoholi, polieter poliol, masne kiseline i esteri masnih kiselina,
• organski PCM – parafini i mješavine alkane,
• eutektičke smjese raznih materijala.
Slika 11.14. Funkcija akumulacije toplote za senzibilne, latentne i termohemijske spremnike
Termohemijski toplotni spremnici akumuliraju toplotu u obliku reverzibilnih hemijskih
reakcija. Prvi dio procesa je endotermna hemijska reakcija, koja se odvija zbog dovođenja
energije koja se želi akumulirati. Drugi dio je spremanje produkta, a treći pražnjenje toplote
egzotermnom hemijskkom reakcijom. Materijali mogu biti organski ili anorganski, bitno je
samo da se u hemijskoj reakciji oslobađa i sprema toplota, te da je reakcija reverzibilna.
115
Latentni toplotni spremnici se temelje na akumulaciji toplote u toku fazne promjene
materijala iz čvrstog stanja u tekuće ili tekućeg u plinovito i otpuštanju toplote u obrnutom
slučaju. Akumulirana toplota se u tom slučaju računa kao proizvod specifične toplote taljenja
i mase. Ovakvi spremnici akumuliraju veliku količinu toplote u sebe bez velike promjene
vlastite temperature. Neke od vrsta materijala korištenih u akumuliranju latentnim toplinskim
spremnicima:
• hidrati anorganskih soli,
• alkoholi, polieter poliol, masne kiseline i esteri masnih kiselina,
• organski PCM – parafini i mješavine alkane,
• eutektičke smjese raznih materijala.
Slika 11.14. Funkcija akumulacije toplote za senzibilne, latentne i termohemijske spremnike
Termohemijski toplotni spremnici akumuliraju toplotu u obliku reverzibilnih hemijskih
reakcija. Prvi dio procesa je endotermna hemijska reakcija, koja se odvija zbog dovođenja
energije koja se želi akumulirati. Drugi dio je spremanje produkta, a treći pražnjenje toplote
egzotermnom hemijskkom reakcijom. Materijali mogu biti organski ili anorganski, bitno je
samo da se u hemijskoj reakciji oslobađa i sprema toplota, te da je reakcija reverzibilna.
UVOD U ENERGETIKU
116
Mogućnost transporta ljudi ili robe s jednog mjesta na drugo je jedan od glavnih pokretača
ekonomskog razvoja u modernom svijetu. Transport nafte, uglja i drugih energenata takodjer
je potreban kako bi oni bili dostupni i na mjestima gdje ne postoje njihove rezerve, odnosno
nalazišta. Danas se veliki dio energije koristi za transport, npr u SAD-u gotovo jedna trećina
energije se koristi za transport. Najveći udio rezervi nafte koristi se upravo za transport. Cijena
nafte se vremenom povećava i smatra se da će ovog izvora energije nestati za 50 godina. Zbog
toga što će u bliskoj budućnosti nestati nafte, današnji glavni prioriteti treba da budu
povećanje efikasnosti korištenja postojećih resursa i razvoj alternativnih energetskih izvora
koji bi se koristili kao izvor energije za transport.
12.1. KRATKA ISTORIJA TRANSPORTA
Točak je izumljen 4.000-3.500 godine p.n.e. u Mezopotamiji u Aziji, te to predstavlja jedno od
glavnih izuma za unapređenje čovječanstva.
Slika 12.1. Izgled kamenog točka
Nakon izuma točka počela su se praviti prva transportna sredstva koja su izgledom podsjećala
na današnje prikolice, a ljudi ili životinje su osiguravali energiju koja je bila potrebna za njihovo
pokretanje. Životinje koje su se najviše koristile za transport su bili konji i deve.
Slika 12.2. Primjer prvog transportnog sredstva
116
Mogućnost transporta ljudi ili robe s jednog mjesta na drugo je jedan od glavnih pokretača
ekonomskog razvoja u modernom svijetu. Transport nafte, uglja i drugih energenata takodjer
je potreban kako bi oni bili dostupni i na mjestima gdje ne postoje njihove rezerve, odnosno
nalazišta. Danas se veliki dio energije koristi za transport, npr u SAD-u gotovo jedna trećina
energije se koristi za transport. Najveći udio rezervi nafte koristi se upravo za transport. Cijena
nafte se vremenom povećava i smatra se da će ovog izvora energije nestati za 50 godina. Zbog
toga što će u bliskoj budućnosti nestati nafte, današnji glavni prioriteti treba da budu
povećanje efikasnosti korištenja postojećih resursa i razvoj alternativnih energetskih izvora
koji bi se koristili kao izvor energije za transport.
12.1. KRATKA ISTORIJA TRANSPORTA
Točak je izumljen 4.000-3.500 godine p.n.e. u Mezopotamiji u Aziji, te to predstavlja jedno od
glavnih izuma za unapređenje čovječanstva.
Slika 12.1. Izgled kamenog točka
Nakon izuma točka počela su se praviti prva transportna sredstva koja su izgledom podsjećala
na današnje prikolice, a ljudi ili životinje su osiguravali energiju koja je bila potrebna za njihovo
pokretanje. Životinje koje su se najviše koristile za transport su bili konji i deve.
Slika 12.2. Primjer prvog transportnog sredstva
UVOD U ENERGETIKU
117
Vrijeme izuma broda i početak transporta ljudi i roba uz pomoć brodova nije poznat. Brodovi
su omogućili otkrivanje novih dijelova planete Zemlje, odnosno novih kontinenata, te dosta
lakši transport ljudi i robe. Na početku za pokretanje brodova se koristio vjetar, a energija
vjetra se iskorištavala uz pomoć jedra. Tokom 19. stoljeća izumljen je motor na paru, njih je
pokretala para koja se dobijala u kotlovima sagorijevanjem uglja.
Izum parne mašine je predstavljao revoluciju u oblasti transporta. Francuz Nicolas Cugnot je
1769. godine konstruirao prvi automobil na parni pogon. Taj parni automobil mogao je povući
5 t tereta i postići brzinu od 4 km/h, ali se morao zaustavljati svakih 15 minuta kako bi postigao
potreban pritisak pare. Prvi komercijalni parni autobus napravljen je 1873. godine, mogao je
transportovati 12 osoba sa maksimalnom brzinom od 40 km/h. Prvi parni automobili su bili
veoma teški i imali su nizak stepen iskorištenja energije. Parna lokomotiva je izumljena od
strane Enegleza Richard Trevithick 1801 godine, a čitavo jedno stoljeće (od sredine 19. do
sredine 20.) parne lokomitve su dominirale u transportu.
Prvi automobil na benzin konstruisao je Jean Lenoir 1862. godine, a motocikl je došao nešto
kasnije, 1867. godine. Prvi brod za čije je pokretanje korišten dizel napravljen je 1912. godine,
a 1958. godine prva podmornica na nuklearni pogon. Parnu mašinu su nakon dugo vremena
zamijenile nove tehnologije kao što su motori sa unutrašnjim sagorijevanjem, koji su imali veći
stepen iskorištenja energije. Prvi motori sa unutrašnjim sagorijevanjem koristili su biogorivo,
ali je uskoro nafta postala dominantna kao gorivo.
Električna energija se najprije počela koristi za velike urbane sisteme prevoza ljudi, a za prevoz
su korišteni tramvaji, trolejbusi i sl.
Za zračni transport prvobitno je bio izumljen cepelin i smatralo se da je to budućnost zračnog
transporta. Prvi let je napravljen 1900. godine i trajao je 18min, a prvi regularni letovi
cepelinom izmedju Njemačke i SAD-a uspostavljeni su 1930. godine. Prvi avion je, također,
napravljen 1900. godine od strane braće Wright. Oni su izveli prvi let koji je trajao 12 sekundi,
a pređeni put je bio 39 m.
Danas je transport veoma bitan za ekonomski razvoj društva. Cijena transporta je relativno
niska, pa tako na primjer cijena transporta jednog barela nafte sa Bliskog istoka u Evropu košta
1$.
12.2. ENERGIJA I TRANSPORT
Danas je nafta svakako najvažniji izvor energije koji se koristi za transport. Skoro 50 % ukupno
eksploatisane nafte je korišteno za transport u 2005. godini.
Od ukupno potrebne energije za transport u 2006. godini u SAD-u daleko najveć dio 95,6 % se
dobijalo korištenjem nafte, samo 2,2 % korištenjem prirodnog gasa, 1,1 % električne energije
i 0,3 % uglja. Više od 3/4 goriva koristilo se za drumski transport što možemo vidjeti na slici
12.3.
117
Vrijeme izuma broda i početak transporta ljudi i roba uz pomoć brodova nije poznat. Brodovi
su omogućili otkrivanje novih dijelova planete Zemlje, odnosno novih kontinenata, te dosta
lakši transport ljudi i robe. Na početku za pokretanje brodova se koristio vjetar, a energija
vjetra se iskorištavala uz pomoć jedra. Tokom 19. stoljeća izumljen je motor na paru, njih je
pokretala para koja se dobijala u kotlovima sagorijevanjem uglja.
Izum parne mašine je predstavljao revoluciju u oblasti transporta. Francuz Nicolas Cugnot je
1769. godine konstruirao prvi automobil na parni pogon. Taj parni automobil mogao je povući
5 t tereta i postići brzinu od 4 km/h, ali se morao zaustavljati svakih 15 minuta kako bi postigao
potreban pritisak pare. Prvi komercijalni parni autobus napravljen je 1873. godine, mogao je
transportovati 12 osoba sa maksimalnom brzinom od 40 km/h. Prvi parni automobili su bili
veoma teški i imali su nizak stepen iskorištenja energije. Parna lokomotiva je izumljena od
strane Enegleza Richard Trevithick 1801 godine, a čitavo jedno stoljeće (od sredine 19. do
sredine 20.) parne lokomitve su dominirale u transportu.
Prvi automobil na benzin konstruisao je Jean Lenoir 1862. godine, a motocikl je došao nešto
kasnije, 1867. godine. Prvi brod za čije je pokretanje korišten dizel napravljen je 1912. godine,
a 1958. godine prva podmornica na nuklearni pogon. Parnu mašinu su nakon dugo vremena
zamijenile nove tehnologije kao što su motori sa unutrašnjim sagorijevanjem, koji su imali veći
stepen iskorištenja energije. Prvi motori sa unutrašnjim sagorijevanjem koristili su biogorivo,
ali je uskoro nafta postala dominantna kao gorivo.
Električna energija se najprije počela koristi za velike urbane sisteme prevoza ljudi, a za prevoz
su korišteni tramvaji, trolejbusi i sl.
Za zračni transport prvobitno je bio izumljen cepelin i smatralo se da je to budućnost zračnog
transporta. Prvi let je napravljen 1900. godine i trajao je 18min, a prvi regularni letovi
cepelinom izmedju Njemačke i SAD-a uspostavljeni su 1930. godine. Prvi avion je, također,
napravljen 1900. godine od strane braće Wright. Oni su izveli prvi let koji je trajao 12 sekundi,
a pređeni put je bio 39 m.
Danas je transport veoma bitan za ekonomski razvoj društva. Cijena transporta je relativno
niska, pa tako na primjer cijena transporta jednog barela nafte sa Bliskog istoka u Evropu košta
1$.
12.2. ENERGIJA I TRANSPORT
Danas je nafta svakako najvažniji izvor energije koji se koristi za transport. Skoro 50 % ukupno
eksploatisane nafte je korišteno za transport u 2005. godini.
Od ukupno potrebne energije za transport u 2006. godini u SAD-u daleko najveć dio 95,6 % se
dobijalo korištenjem nafte, samo 2,2 % korištenjem prirodnog gasa, 1,1 % električne energije
i 0,3 % uglja. Više od 3/4 goriva koristilo se za drumski transport što možemo vidjeti na slici
12.3.
UVOD U ENERGETIKU
118
Slika 12.3. Potrošnja goriva u svijetu u zavisnosti od transportnog sredstva, 2005. godine
12.2.1. Drumski transport
Krajem 19. stoljeća automobili su se naglo počeli razvijati, te automibili i kamioni postaju
glavna transportna sredstva. Na početku samo su bogati ljudi mogli sebi priuštiti automobil.
Henry Ford je omogućio proizvodnju automobila po prihvatljivim cijenama, ubrzao je
proizvodnju automobila ubacivanjem pokretne trake. Ford model T, proizveden 1908. godine
je bio prvi proizvedeni automobil za masovnu upotrebu. Početkom 20. stoljeća Francuska je
bila vodeći proizvođač automobila sa 30.000 automobila godišnje, a slijedio ju je SAD sa
10.000. U Francuskoj je 1900. godine postojalo 30 tvornica automobila, 1910. godine 57 dok
je 1914. godine broj tvornica porastao na 157. Slična situacija je bila i u SAD-u koji je 1908.
godine imao 291 tvornicu automobila.
Slika 12.4. Broj proizvedenih automobila za pojedine države, 1903. godine
Visoke cijene nafte su u jednom periodu destabilizirale svjetsku proizvodnju automobila, a
proizvođači na početku nisu imali dovoljno sredstava da ulože kako bi napravili ekonomičnije
automobile sa većim stepenom iskorištenja. Međutim, u posljednje vrijeme se jako puno
ulagalo u razvoj ekonomičnijih benzinskih i dizel motora. Neke procjene kažu da je 2005.
godine bilo 889 miliona automobila, od čega je privatnih automobila bilo 72,9%.
118
Slika 12.3. Potrošnja goriva u svijetu u zavisnosti od transportnog sredstva, 2005. godine
12.2.1. Drumski transport
Krajem 19. stoljeća automobili su se naglo počeli razvijati, te automibili i kamioni postaju
glavna transportna sredstva. Na početku samo su bogati ljudi mogli sebi priuštiti automobil.
Henry Ford je omogućio proizvodnju automobila po prihvatljivim cijenama, ubrzao je
proizvodnju automobila ubacivanjem pokretne trake. Ford model T, proizveden 1908. godine
je bio prvi proizvedeni automobil za masovnu upotrebu. Početkom 20. stoljeća Francuska je
bila vodeći proizvođač automobila sa 30.000 automobila godišnje, a slijedio ju je SAD sa
10.000. U Francuskoj je 1900. godine postojalo 30 tvornica automobila, 1910. godine 57 dok
je 1914. godine broj tvornica porastao na 157. Slična situacija je bila i u SAD-u koji je 1908.
godine imao 291 tvornicu automobila.
Slika 12.4. Broj proizvedenih automobila za pojedine države, 1903. godine
Visoke cijene nafte su u jednom periodu destabilizirale svjetsku proizvodnju automobila, a
proizvođači na početku nisu imali dovoljno sredstava da ulože kako bi napravili ekonomičnije
automobile sa većim stepenom iskorištenja. Međutim, u posljednje vrijeme se jako puno
ulagalo u razvoj ekonomičnijih benzinskih i dizel motora. Neke procjene kažu da je 2005.
godine bilo 889 miliona automobila, od čega je privatnih automobila bilo 72,9%.
UVOD U ENERGETIKU
119
Slika 12.5. Privatna i komercijalna vozila po regionima, 2005. godina
U periodu od 1985. do 2005. godine u SAD-u se broj automobila povećao za 15 %, u Kini za
650 % dok u Koreji taj procenat iznosi 1.200 %. Broj automobila u Kini 2005. godine je približan
broju automobila u SAD-u 1915. godine, dok je Evropa taj broj automobila prešla 1970. godine.
Proizvodnja automobila na svjetskom nivou u 2006. godini je iznosila oko 69 miliona
automobila.
12.2.2. Brodski transport
Brodski transport prvenstveno se koristio za transport ljudi i robe na velike udaljenosti,
odnosno preko okeana. Razvojem avionskog transporta ljudi su se prestali transportovati
brodovima zbog toga što let avionom preko okeana traje dosta kraće u odnosu na plovidbu
broda.
Uz pomoć brodova se transportuje nafta, ugalj, razne sirovine, te različita roba, koja se
najčešće transportuje u kontejnerima. Brodski prevoz se također koristio za potrebe vojske,
transport oružja, vojnika i vojnih vozila. Brodski transport se može odvijati na jezerima,
rijekama i okeanima. Danas razlikujemo više vrsta brodova u zavisnosti robe koju prevoze.
Tankeri se koriste za prevoz nafte, prirodnog gasa i slično, a danas 1/3 ukupnog broja brodova
predstavljaju tankeri. Kontejnerski brod služi za transport robe koja je pakovana u kontjenere,
dok se trajekti koriste za transport automobila, kamiona i slično. Kruzeri služe za transport
ljudi u turističke svrhe, a jedrenjaci se koriste za rekreativne svrhe. Kada pogledamo odnos
utrošene energije i količine transportovane robe vidimo da je brodski transport veoma
ekonomičan te energetski efikasan. Tanker nosivosti 30.000 t može prevesti nafte koliko i 750
kamiona nosivosti od 40 t. Oko 6 puta manje energije je potrebno za transport 1 t robe za 1
km sa brodom u odnosu na kamion. Sa snagom od 1kW brodom se može prevesti 5 t robe,
vozom 700 kg, a preko drumskog saobraćaja 200 kg.
12.2.3. Zračni transport
Komercijalna avijacija najviše je napredovala nakon završetka Drugog svjetskog rata, kada su
mnogi vojni avioni prepravljeni za komercijalne svrhe odnosno za transport ljudi ili robe. U
preiodu od 1985. do 2005. godine je bio veći značaj internacionalnih letova, nego domaćih
letova. Na internacionalnim letovima je 2007. godine je preveženo 831 milion putnika, a na
119
Slika 12.5. Privatna i komercijalna vozila po regionima, 2005. godina
U periodu od 1985. do 2005. godine u SAD-u se broj automobila povećao za 15 %, u Kini za
650 % dok u Koreji taj procenat iznosi 1.200 %. Broj automobila u Kini 2005. godine je približan
broju automobila u SAD-u 1915. godine, dok je Evropa taj broj automobila prešla 1970. godine.
Proizvodnja automobila na svjetskom nivou u 2006. godini je iznosila oko 69 miliona
automobila.
12.2.2. Brodski transport
Brodski transport prvenstveno se koristio za transport ljudi i robe na velike udaljenosti,
odnosno preko okeana. Razvojem avionskog transporta ljudi su se prestali transportovati
brodovima zbog toga što let avionom preko okeana traje dosta kraće u odnosu na plovidbu
broda.
Uz pomoć brodova se transportuje nafta, ugalj, razne sirovine, te različita roba, koja se
najčešće transportuje u kontejnerima. Brodski prevoz se također koristio za potrebe vojske,
transport oružja, vojnika i vojnih vozila. Brodski transport se može odvijati na jezerima,
rijekama i okeanima. Danas razlikujemo više vrsta brodova u zavisnosti robe koju prevoze.
Tankeri se koriste za prevoz nafte, prirodnog gasa i slično, a danas 1/3 ukupnog broja brodova
predstavljaju tankeri. Kontejnerski brod služi za transport robe koja je pakovana u kontjenere,
dok se trajekti koriste za transport automobila, kamiona i slično. Kruzeri služe za transport
ljudi u turističke svrhe, a jedrenjaci se koriste za rekreativne svrhe. Kada pogledamo odnos
utrošene energije i količine transportovane robe vidimo da je brodski transport veoma
ekonomičan te energetski efikasan. Tanker nosivosti 30.000 t može prevesti nafte koliko i 750
kamiona nosivosti od 40 t. Oko 6 puta manje energije je potrebno za transport 1 t robe za 1
km sa brodom u odnosu na kamion. Sa snagom od 1kW brodom se može prevesti 5 t robe,
vozom 700 kg, a preko drumskog saobraćaja 200 kg.
12.2.3. Zračni transport
Komercijalna avijacija najviše je napredovala nakon završetka Drugog svjetskog rata, kada su
mnogi vojni avioni prepravljeni za komercijalne svrhe odnosno za transport ljudi ili robe. U
preiodu od 1985. do 2005. godine je bio veći značaj internacionalnih letova, nego domaćih
letova. Na internacionalnim letovima je 2007. godine je preveženo 831 milion putnika, a na
UVOD U ENERGETIKU
120
domaćim letovima 1,25 milijardi putnika. Cijena transporta ljudi i robe avionom je promjnljiva
a najviše zavisi od cijene nafte.
Zračni transport putnika je dosta brži i ekonomičniji od ostalih prevoznih sredstava. Na
primjer, Airbus A340 potroši 3,7 l/100km po putniku. Znači da je let na datoj distanci isti sa
aspekta potrošnje goriva i emisije CO2 kao i vožnja automobilom. Let avionom preko Atlantika
od SAD-a do Evrope je jednak korištenju auta u periodu jedne godine. Prilikom leta između
Pariza i New Yroka emituje se 700 kg CO2. Ako poredimo današnje avione i avione od prije 40
godina, današnji avioni imaju dosta manju potrošnju goriva, trajanje leta je skraćeno, a broj
sjedišta je udovstručen.
12.3. DINAMIKA AUTOMOBILA
Za pokretanje automobila potrebno je 20-40 puta više energije nego za pokretanje bicikla. Da
bi se automobil pokrenuo potrebna je količina energije koja može savladati sile koje se protive
kretanju. Kretanju se protive: aerodinamički otpor, sile unutrašnjeg trenja, sile inercije i sile
trenja guma, slika 12.6..
Slika 12.6. Uticaj sila koje se protive kretanju automobila pri brzini od 100 km/h
Najviše energije je potrebno da se savlada aerodinamički otpor. Ovaj otpor najviše zavisi od
oblika vozila; kod automobila prednja površina iznosi oko 2 m
2
, a kod kamiona ide i do 9 m
2
.
Kod automobila aerodinamička sila otpora iznosi 350 N, a kod kamiona je 3 puta veća. Zbog
velike prednje površine ubrzanje kamiona je dosta manje u odnosu na automobile i oni troše
dosta više goriva. Sile inercije su translacijskog porijekla, one su pozitivne kada automobil
ubrzava, a negativne kada usporava i iznose u prosjeku 100 N. Sile unutrašnjeg trenja su
gotovo nezavisne o brzini, a iznose oko 50 N. Kontakt između automobila i ceste se ostvaruje
putem guma koje su napravljene od visokoelastičnog materijala. Na mjestu dodira gume sa
cestom javlja se sila trenja koja iznosi 140 N. Ukupna sila koja se protivi kretanju automobila
iznosi 640 N. Da bi automobil prešao 100 km i savladao ukupnu silu potrebna je energija od
17,8 kWh. Energija sadržana u 1 litru benzina iznos 32,8 MJ odnosno 9,1 kWh. Na osnovu ovih
podataka može se izračunati da bi potrošnja automobila sa motorom koji ima stepen
iskorištenja 1,0 bila bi 2 l/100 km. Međutim, motori koji se danas koriste imaju stepen
iskorištenja oko 0,3 pa je i prosječna potrošnja automobila oko 6,6 l/100 km.
120
domaćim letovima 1,25 milijardi putnika. Cijena transporta ljudi i robe avionom je promjnljiva
a najviše zavisi od cijene nafte.
Zračni transport putnika je dosta brži i ekonomičniji od ostalih prevoznih sredstava. Na
primjer, Airbus A340 potroši 3,7 l/100km po putniku. Znači da je let na datoj distanci isti sa
aspekta potrošnje goriva i emisije CO2 kao i vožnja automobilom. Let avionom preko Atlantika
od SAD-a do Evrope je jednak korištenju auta u periodu jedne godine. Prilikom leta između
Pariza i New Yroka emituje se 700 kg CO2. Ako poredimo današnje avione i avione od prije 40
godina, današnji avioni imaju dosta manju potrošnju goriva, trajanje leta je skraćeno, a broj
sjedišta je udovstručen.
12.3. DINAMIKA AUTOMOBILA
Za pokretanje automobila potrebno je 20-40 puta više energije nego za pokretanje bicikla. Da
bi se automobil pokrenuo potrebna je količina energije koja može savladati sile koje se protive
kretanju. Kretanju se protive: aerodinamički otpor, sile unutrašnjeg trenja, sile inercije i sile
trenja guma, slika 12.6..
Slika 12.6. Uticaj sila koje se protive kretanju automobila pri brzini od 100 km/h
Najviše energije je potrebno da se savlada aerodinamički otpor. Ovaj otpor najviše zavisi od
oblika vozila; kod automobila prednja površina iznosi oko 2 m
2
, a kod kamiona ide i do 9 m
2
.
Kod automobila aerodinamička sila otpora iznosi 350 N, a kod kamiona je 3 puta veća. Zbog
velike prednje površine ubrzanje kamiona je dosta manje u odnosu na automobile i oni troše
dosta više goriva. Sile inercije su translacijskog porijekla, one su pozitivne kada automobil
ubrzava, a negativne kada usporava i iznose u prosjeku 100 N. Sile unutrašnjeg trenja su
gotovo nezavisne o brzini, a iznose oko 50 N. Kontakt između automobila i ceste se ostvaruje
putem guma koje su napravljene od visokoelastičnog materijala. Na mjestu dodira gume sa
cestom javlja se sila trenja koja iznosi 140 N. Ukupna sila koja se protivi kretanju automobila
iznosi 640 N. Da bi automobil prešao 100 km i savladao ukupnu silu potrebna je energija od
17,8 kWh. Energija sadržana u 1 litru benzina iznos 32,8 MJ odnosno 9,1 kWh. Na osnovu ovih
podataka može se izračunati da bi potrošnja automobila sa motorom koji ima stepen
iskorištenja 1,0 bila bi 2 l/100 km. Međutim, motori koji se danas koriste imaju stepen
iskorištenja oko 0,3 pa je i prosječna potrošnja automobila oko 6,6 l/100 km.
UVOD U ENERGETIKU
121
12.3.1. Vrste goriva za drumski transport
Motori koji se danas koriste za drumski saobraćaj su motori sa svjećicama ili kompresioni
motori. Motori sa svjećicama kao gorivo koriste benzin. Kod njih se mješavina zraka i benzina
ubacuje u cilindar motora koja se pali uz pomoć iskre koju stvara svjećica. Uz pomoć
elektronske kontrole mješavine zraka i benzina osigurava se veći stepen iskorištenja motora,
te manja emisija CO2. Omjer zraka i benzina je veoma bitan, a ako u mješavini imamo dosta
više benzina doći će do gašenja motora.
U kompresionim motorima se dizel koristi kao gorivo. U cilindar se ubrizgava mješavina zraka
i dizela koja se pali uz pomoć temperature koja se dobije povećanom kompresijom. Prilikom
pokretanja kompresionog motora potrebno je prvo podići temperaturu motora što zahtijeva
dodatnu količinu energije, a to podizanje temperature se postiže korištenjem grijača. Važan
parametar kod kompresionih motora je početak i kraj ubrizgavanja smjese u cilindar.
Većina goriva koja se koristi za drumski transport je dobijena preradom sirove nafte. Preradom
sirove nafte dobija se dizel i benzin. U Evropi se danas najčešće koristi dizel, prvobitno zbog
njegove cijene koja je manja u odnosu na cijenu benzina, a također dizel motor će potrošiti
gotovo trećinu manje goriva od motora na benzin. Što se tiče emisije CO2 dizel motor emituje
više u odnosu na benzinski motor. Motori na dizel najčešće se ugrađuju u automobile, ali se
koriste i za teške radne mašine.
Također kao gorivo u drumskom transportu se koristi i LPG odnosno ukapljeni naftni plin. LPG
je mješavina naftnih plinova (najčešće propana i butana) dobivena preradom sirove nafte.
Prilikom prerade sirove nafte LPG se nalazi u gasovitom stanju, ali povećanjem pritiska LPG
prelazi u tečno stanje.
Tabela 12.1. Količina energije sadržana u različitim vrstama goriva
I prirodni gas se koristi kao gorivo za drumski transport. Prirodni gas ne zahtijeva preradu prije
upotrebe. Priordni gas zauzima samo 0,05 % ukupnog goriva koji se koristi za drumski
transport. On se eksploatiše u gasovitom stanju, ali se pretvara u tečno stanje povećanjem
pritiska. Pretvaranje prirodnog gasa u tečno stanje se vrši zbog njegovog lakšeg transporta i
skladištenja. Tečni prirodni gas se skladišti na pritisku 4-6 bari i na temperaturi od -161
o
C.
121
12.3.1. Vrste goriva za drumski transport
Motori koji se danas koriste za drumski saobraćaj su motori sa svjećicama ili kompresioni
motori. Motori sa svjećicama kao gorivo koriste benzin. Kod njih se mješavina zraka i benzina
ubacuje u cilindar motora koja se pali uz pomoć iskre koju stvara svjećica. Uz pomoć
elektronske kontrole mješavine zraka i benzina osigurava se veći stepen iskorištenja motora,
te manja emisija CO2. Omjer zraka i benzina je veoma bitan, a ako u mješavini imamo dosta
više benzina doći će do gašenja motora.
U kompresionim motorima se dizel koristi kao gorivo. U cilindar se ubrizgava mješavina zraka
i dizela koja se pali uz pomoć temperature koja se dobije povećanom kompresijom. Prilikom
pokretanja kompresionog motora potrebno je prvo podići temperaturu motora što zahtijeva
dodatnu količinu energije, a to podizanje temperature se postiže korištenjem grijača. Važan
parametar kod kompresionih motora je početak i kraj ubrizgavanja smjese u cilindar.
Većina goriva koja se koristi za drumski transport je dobijena preradom sirove nafte. Preradom
sirove nafte dobija se dizel i benzin. U Evropi se danas najčešće koristi dizel, prvobitno zbog
njegove cijene koja je manja u odnosu na cijenu benzina, a također dizel motor će potrošiti
gotovo trećinu manje goriva od motora na benzin. Što se tiče emisije CO2 dizel motor emituje
više u odnosu na benzinski motor. Motori na dizel najčešće se ugrađuju u automobile, ali se
koriste i za teške radne mašine.
Također kao gorivo u drumskom transportu se koristi i LPG odnosno ukapljeni naftni plin. LPG
je mješavina naftnih plinova (najčešće propana i butana) dobivena preradom sirove nafte.
Prilikom prerade sirove nafte LPG se nalazi u gasovitom stanju, ali povećanjem pritiska LPG
prelazi u tečno stanje.
Tabela 12.1. Količina energije sadržana u različitim vrstama goriva
I prirodni gas se koristi kao gorivo za drumski transport. Prirodni gas ne zahtijeva preradu prije
upotrebe. Priordni gas zauzima samo 0,05 % ukupnog goriva koji se koristi za drumski
transport. On se eksploatiše u gasovitom stanju, ali se pretvara u tečno stanje povećanjem
pritiska. Pretvaranje prirodnog gasa u tečno stanje se vrši zbog njegovog lakšeg transporta i
skladištenja. Tečni prirodni gas se skladišti na pritisku 4-6 bari i na temperaturi od -161
o
C.
UVOD U ENERGETIKU
122
U skorije vrijeme kao gorivo u drumskom trnasportu se počeo koristiti i biodizel. Biodizel je
biljno ulje proizvedeno iz različitih kultura (suncokret, soja, uljana repica itd.). Kao pogonsko
gorivo može se koristit samo biodizel, a možemo ga miješati i sa dizelom.
12.3.2. Emisija CO2
Kada je počela upotreba ovih vrsta goriva u transportu počelo je i emitovanje CO2 u atmosferu.
Emisija CO2 iz drumskog transporta iznosila je 24 % od ukupnog procenta emitovanog CO2 u
2005. godini. Najveći dio emitovanog CO2, oko 45 %, dolazi iz energetskog sektora (proizvodnja
struje i toplote), slika 12.7.
Slika 12.7. Prikaz emitovanog CO2 po sektorima
Normalnom upotrebom automobila se emituje 200 g CO2 po pređenom kilometru, što znači
da ako godišnje putujemo 15.000 km, automobil će emitovati oko 3 t CO2. Emitovana količina
CO2 deklarisana od strane proizvođača automobila je u većini slučajeva manja od stvarne
količine.
Slika 12.8. Emisija CO2 u transportnom sektoru u periodu 1990-2003
122
U skorije vrijeme kao gorivo u drumskom trnasportu se počeo koristiti i biodizel. Biodizel je
biljno ulje proizvedeno iz različitih kultura (suncokret, soja, uljana repica itd.). Kao pogonsko
gorivo može se koristit samo biodizel, a možemo ga miješati i sa dizelom.
12.3.2. Emisija CO2
Kada je počela upotreba ovih vrsta goriva u transportu počelo je i emitovanje CO2 u atmosferu.
Emisija CO2 iz drumskog transporta iznosila je 24 % od ukupnog procenta emitovanog CO2 u
2005. godini. Najveći dio emitovanog CO2, oko 45 %, dolazi iz energetskog sektora (proizvodnja
struje i toplote), slika 12.7.
Slika 12.7. Prikaz emitovanog CO2 po sektorima
Normalnom upotrebom automobila se emituje 200 g CO2 po pređenom kilometru, što znači
da ako godišnje putujemo 15.000 km, automobil će emitovati oko 3 t CO2. Emitovana količina
CO2 deklarisana od strane proizvođača automobila je u većini slučajeva manja od stvarne
količine.
Slika 12.8. Emisija CO2 u transportnom sektoru u periodu 1990-2003
UVOD U ENERGETIKU
123
Sadržaj ugljika u benzinu iznosi 640 g/l, dok za dizel iznosi 734 g/l. U dizel ili benzinskim
motorima sagori 99% goriva koje se ubaci u njega. Količina emitovanog CO2 prilikom
sagorijevanja benzina ili dizela prikazana je u nastavku:
1 litar benzina => 0,64 kg ugljika => 2,35 kg CO2
1 litar dizela => 0,734 kg ugljika => 2,69 kg CO2
Ako automobil troši 7,5 l/100km benzina to znači da emituje 175 g/km CO2, a pri istoj potrošnji
dizel motor će emitovati 201 g/km CO2. Zbog ograničavanja emisije CO2 u atmosferu i
smanjenja zagađivanja atmosfere, danas su u većini zemalja u svijetu uvedeni odgovarajući
emisioni standardi, kojima se ograničava dozvoljena količina štetnih gasova emitovanih iz
automobila, tabele 12.2. i 12.3.
Tabela 12.2. Emisioni standardi za privatne automobile na dizelski pogon u EU
Tablea 12.3. Emisioni standardi za privatne automobile na benzinski pogon u EU
12.3.3. Hibridna vozila
Izazov za moderni drumski transport je smanjiti upotrebu nafte, a samim tim i emisiju CO2 u
atmosferu. Hibridna vozila obećavaju bolju budućnost za čovječanstvo, zbog toga što je
količina emitovanog CO2 dosta manja u odnosu na standardna vozila. Hibridna vozila su
nastala iz ideje da se koristi nekoliko izvora energije i da se regeneriše izgbuljena energija kada
je to moguće. Hibridna vozila koriste najmanje 2 različita energetska izvora te 2 različita
energetska pretvarača, a klasični primjer hibridnog sistema je električno biciklo. Električno
biciklo koristi dva različita izvora energije, prvi izvor je električna energija koja je skladištena u
baterijama i električni motor koji pretvara tu skladištenu električnu energiju u mehaničku
energiju, a drugi izvor energije je sam čovjek koji koristi svoju snagu za pokretanje bicikla.
Trenutno se najviše radi na povećanju kapaciteta baterija za skladištenje električne energije
kako bi se i sama upotreba hibridnih vozila povećala. Komercijalni hibridni automobili koriste
motor na naftu kao prvi izvor energije, a kao drugi izvor energije se koriste baterije i električni
motor za konverziju električne energije. Zbog malog kapaciteta baterija, energiju skladištenu
u njima koristimo prilikom vožnje po gradu, a benzinski ili dizel motor se koristi za putovanje
na duže relacije. Kod hibridnih automobila možemo razlikovati serijsku i paralelnu
konfiguraciju, slika 12.9.
123
Sadržaj ugljika u benzinu iznosi 640 g/l, dok za dizel iznosi 734 g/l. U dizel ili benzinskim
motorima sagori 99% goriva koje se ubaci u njega. Količina emitovanog CO2 prilikom
sagorijevanja benzina ili dizela prikazana je u nastavku:
1 litar benzina => 0,64 kg ugljika => 2,35 kg CO2
1 litar dizela => 0,734 kg ugljika => 2,69 kg CO2
Ako automobil troši 7,5 l/100km benzina to znači da emituje 175 g/km CO2, a pri istoj potrošnji
dizel motor će emitovati 201 g/km CO2. Zbog ograničavanja emisije CO2 u atmosferu i
smanjenja zagađivanja atmosfere, danas su u većini zemalja u svijetu uvedeni odgovarajući
emisioni standardi, kojima se ograničava dozvoljena količina štetnih gasova emitovanih iz
automobila, tabele 12.2. i 12.3.
Tabela 12.2. Emisioni standardi za privatne automobile na dizelski pogon u EU
Tablea 12.3. Emisioni standardi za privatne automobile na benzinski pogon u EU
12.3.3. Hibridna vozila
Izazov za moderni drumski transport je smanjiti upotrebu nafte, a samim tim i emisiju CO2 u
atmosferu. Hibridna vozila obećavaju bolju budućnost za čovječanstvo, zbog toga što je
količina emitovanog CO2 dosta manja u odnosu na standardna vozila. Hibridna vozila su
nastala iz ideje da se koristi nekoliko izvora energije i da se regeneriše izgbuljena energija kada
je to moguće. Hibridna vozila koriste najmanje 2 različita energetska izvora te 2 različita
energetska pretvarača, a klasični primjer hibridnog sistema je električno biciklo. Električno
biciklo koristi dva različita izvora energije, prvi izvor je električna energija koja je skladištena u
baterijama i električni motor koji pretvara tu skladištenu električnu energiju u mehaničku
energiju, a drugi izvor energije je sam čovjek koji koristi svoju snagu za pokretanje bicikla.
Trenutno se najviše radi na povećanju kapaciteta baterija za skladištenje električne energije
kako bi se i sama upotreba hibridnih vozila povećala. Komercijalni hibridni automobili koriste
motor na naftu kao prvi izvor energije, a kao drugi izvor energije se koriste baterije i električni
motor za konverziju električne energije. Zbog malog kapaciteta baterija, energiju skladištenu
u njima koristimo prilikom vožnje po gradu, a benzinski ili dizel motor se koristi za putovanje
na duže relacije. Kod hibridnih automobila možemo razlikovati serijsku i paralelnu
konfiguraciju, slika 12.9.
UVOD U ENERGETIKU
124
Slika 12.9. Šematski prikaz serijske i paralelne konfiguracije u hibridnim automobilima
Kod serijske konfiguracije hibridnog automobila električni motor se koristi za pokretanje
automobila, a motor sa unutrašnjim sagorijevanjem isključivo za punjenje baterija. U ovom
slučaju motori su malih dimenzija, zbog toga što se koriste samo za punjenje baterija. Kod
serijske konfiguracije baterije su dosta veće u odnosu na baterije kod paralelne konfiguracije.
Kod paralelne konfiguracije hibridnog automobila i električni motor i motor sa unutrašnjim
sagorijevanjem se koriste za pokretanje automobila, baterije su dosta manje, ali je motor sa
unutrašnjim sagorijevanjem dosta veći.
12.3.4. Električna vozila
Tehnologija električnih vozila se razvila s ciljem smanjena upotrebe vozila sa motorima sa
unutrašnjim sagorijevanjem. Jedna od prednosti električnih motora je pojava velikog obrtnog
momenta i pri malim brzinama.
Upotreba električnih automobila je izumljena i prije nego što su korišteni automobili na benzin
ili dizel. Prvi električni autobus je napravljen u Londonu 1886. godine, prvi električni automobil
1899. godine i postizao je rekordnu brzinu od 105 km/h. Krajem 19. stoljeća električni
automobili su bili veoma popularni, ali su bili ograničeni kapacitetom baterija, pa su zbog toga
pali u sjenu automobila sa motorima na benzin ili dizel.
U modernim vremenima se ponovo javio interes za električne automobile, prvenstveno zbog
smanjenja emisije CO2. Drugi razlog zbog kojeg se javio interes za ovu vrstu prevoza je to što
će u bliskoj budućnosti nestati nafte, a i kapaciteti baterija su znatno povećani. Udaljenost
koju električni automobili mogu preći je limitirana kapacitetom baterija; dugo vremena taj
limit je bio 100 km, ali se sada povećao na preko 200 km. Električna energija skladištena u
baterijama se uz pomoć jednog ili više električnih motora pretvara u pogonsku energiju.
Također, skladištena energija iz baterije se koristi i za grijanje i hlađenje automobila, što isto
tako smanjuje udaljenost koju automobil može preći sa jednim punjenjem.
U modernim automobilima težina baterija iznosi oko 200 kg. Danas se najčešće koriste litij-
ionske baterije (Li-Ion), kod kojih se količina skladištene električne energije po kliogramu
baterije kreće od 160-170 Wh, a cijena njihove proizvodnje iznosi oko 2 $/Wh. Također je
moguća i upotreba olovnih baterija ali kod njih je količina skladištene energije po kilogramu
baterije znatno manja u odnosu na litij-ionske baterije i iznosi 30 Wh, ali je i cijena njihove
124
Slika 12.9. Šematski prikaz serijske i paralelne konfiguracije u hibridnim automobilima
Kod serijske konfiguracije hibridnog automobila električni motor se koristi za pokretanje
automobila, a motor sa unutrašnjim sagorijevanjem isključivo za punjenje baterija. U ovom
slučaju motori su malih dimenzija, zbog toga što se koriste samo za punjenje baterija. Kod
serijske konfiguracije baterije su dosta veće u odnosu na baterije kod paralelne konfiguracije.
Kod paralelne konfiguracije hibridnog automobila i električni motor i motor sa unutrašnjim
sagorijevanjem se koriste za pokretanje automobila, baterije su dosta manje, ali je motor sa
unutrašnjim sagorijevanjem dosta veći.
12.3.4. Električna vozila
Tehnologija električnih vozila se razvila s ciljem smanjena upotrebe vozila sa motorima sa
unutrašnjim sagorijevanjem. Jedna od prednosti električnih motora je pojava velikog obrtnog
momenta i pri malim brzinama.
Upotreba električnih automobila je izumljena i prije nego što su korišteni automobili na benzin
ili dizel. Prvi električni autobus je napravljen u Londonu 1886. godine, prvi električni automobil
1899. godine i postizao je rekordnu brzinu od 105 km/h. Krajem 19. stoljeća električni
automobili su bili veoma popularni, ali su bili ograničeni kapacitetom baterija, pa su zbog toga
pali u sjenu automobila sa motorima na benzin ili dizel.
U modernim vremenima se ponovo javio interes za električne automobile, prvenstveno zbog
smanjenja emisije CO2. Drugi razlog zbog kojeg se javio interes za ovu vrstu prevoza je to što
će u bliskoj budućnosti nestati nafte, a i kapaciteti baterija su znatno povećani. Udaljenost
koju električni automobili mogu preći je limitirana kapacitetom baterija; dugo vremena taj
limit je bio 100 km, ali se sada povećao na preko 200 km. Električna energija skladištena u
baterijama se uz pomoć jednog ili više električnih motora pretvara u pogonsku energiju.
Također, skladištena energija iz baterije se koristi i za grijanje i hlađenje automobila, što isto
tako smanjuje udaljenost koju automobil može preći sa jednim punjenjem.
U modernim automobilima težina baterija iznosi oko 200 kg. Danas se najčešće koriste litij-
ionske baterije (Li-Ion), kod kojih se količina skladištene električne energije po kliogramu
baterije kreće od 160-170 Wh, a cijena njihove proizvodnje iznosi oko 2 $/Wh. Također je
moguća i upotreba olovnih baterija ali kod njih je količina skladištene energije po kilogramu
baterije znatno manja u odnosu na litij-ionske baterije i iznosi 30 Wh, ali je i cijena njihove
UVOD U ENERGETIKU
125
proizvodnje znatno manja i iznosi oko 0,3 $/Wh. Najveći problem kod litij-ionski baterija je to
što može doći do njihove eksplozije što se već dešavalo kod mobilnih telefona.
Države koje su pokazale najveću zainteresovanost za električne automobile su države u kojim
se najveći procenat električne energije proizvede bez emisije CO2. Ako pogledamo Francusku,
90 % električne energije je proizvedeno bez emisije CO2.
125
proizvodnje znatno manja i iznosi oko 0,3 $/Wh. Najveći problem kod litij-ionski baterija je to
što može doći do njihove eksplozije što se već dešavalo kod mobilnih telefona.
Države koje su pokazale najveću zainteresovanost za električne automobile su države u kojim
se najveći procenat električne energije proizvede bez emisije CO2. Ako pogledamo Francusku,
90 % električne energije je proizvedeno bez emisije CO2.
UVOD U ENERGETIKU
126
Najveći dio energije koji se troši u svijetu koristi se za grijanje i hlađenje prostora te za
proizvodnju tople vode. Na primjer u Francuskoj 43 % primarne energije troši se u stambenom
i uslužnom sektoru. Efektivna upotreba energije u stambenom sektoru je važno pitanje a
značajna ušteda energije se može ostvariti u tom sektoru. Nažalost, vrijeme potrebno da se to
postigne je dug period vremena u odnosu na vremenski okvir potreban za ublažavanje
globalnog zagrijavanja. U Francuskoj postoji 30 miliona kuća ili stanova u kojima živi malo više
od 60 miliona stanovnika. Broj novih stambenih zgrada izgrađenih svake godine je 300.000
400.000. Potrebno bi bilo otprilike jedno stoljeće da se zamijene sve stare zgrade sa novim.
Slična situacija postoji i u ostatku Evrope. Ovo znači da, iako je važno graditi nove energetski
efikasne objekte, još važnije je poboljšanje i renoviranje starih zgrada.
13.1. VAŽNOST STANOVANJA
U SAD živi oko 300 miliona stanovnika. 2005 godine broj kuća bio je oko 111 miliona, a neke
od njih su bile veoma stare. Broj kućanstva izgrađene u različitim vremenskim periodima
prikazano je na slici 13.1. Oko polovine domaćinstava u SAD-u izgrađeno je prije 1970. godine,
period u kojem energetska efikasnost nije bila glavna briga.
Slika 13.1. Broj domaćinstava SAD-a izgrađenih u različitim vremenskim periodima prije 2001.
Distribucija potrošnje energije koja se koristi u domaćinstavima u SAD je prikazana na slici
13.2. Na slici 13.3 prikazana je evolucija u potrošnji energije u domaćinstvima između 1970. i
2003. godine u Velikoj Britaniji.
Slika 13.2. Distribucija potrošnje energije u domaćinstvima u SAD u SAD, 2005
126
Najveći dio energije koji se troši u svijetu koristi se za grijanje i hlađenje prostora te za
proizvodnju tople vode. Na primjer u Francuskoj 43 % primarne energije troši se u stambenom
i uslužnom sektoru. Efektivna upotreba energije u stambenom sektoru je važno pitanje a
značajna ušteda energije se može ostvariti u tom sektoru. Nažalost, vrijeme potrebno da se to
postigne je dug period vremena u odnosu na vremenski okvir potreban za ublažavanje
globalnog zagrijavanja. U Francuskoj postoji 30 miliona kuća ili stanova u kojima živi malo više
od 60 miliona stanovnika. Broj novih stambenih zgrada izgrađenih svake godine je 300.000
400.000. Potrebno bi bilo otprilike jedno stoljeće da se zamijene sve stare zgrade sa novim.
Slična situacija postoji i u ostatku Evrope. Ovo znači da, iako je važno graditi nove energetski
efikasne objekte, još važnije je poboljšanje i renoviranje starih zgrada.
13.1. VAŽNOST STANOVANJA
U SAD živi oko 300 miliona stanovnika. 2005 godine broj kuća bio je oko 111 miliona, a neke
od njih su bile veoma stare. Broj kućanstva izgrađene u različitim vremenskim periodima
prikazano je na slici 13.1. Oko polovine domaćinstava u SAD-u izgrađeno je prije 1970. godine,
period u kojem energetska efikasnost nije bila glavna briga.
Slika 13.1. Broj domaćinstava SAD-a izgrađenih u različitim vremenskim periodima prije 2001.
Distribucija potrošnje energije koja se koristi u domaćinstavima u SAD je prikazana na slici
13.2. Na slici 13.3 prikazana je evolucija u potrošnji energije u domaćinstvima između 1970. i
2003. godine u Velikoj Britaniji.
Slika 13.2. Distribucija potrošnje energije u domaćinstvima u SAD u SAD, 2005
UVOD U ENERGETIKU
127
Slika 13.3. Potrošnja energije između 1970. i 2003. godine u Velikoj Britaniji.
Dominacija fosilnih goriva za primjene u grijanju prostora je evidentna, još više kada se prizna
da se i električna energija, koja se koristi u velikoj mjeri, proizvodi ugljem ili prirodnim plinom.
Energija koja se koristi za grijanje prostora i grijanje vode čini većinu ukupne potrošnje energije
u stambenim jedinicama.
Potrošnja energije za grijanje prostora se redovito povećavala tokom godina. To ukazuje na
činjenicu da su kuće postale veće i da se sobna temperatura mijenjala, kako bi ljudi se osjećali
ugodnije. Povećanje veličine stambenih prostora je prilično česta pojava, posebno u visoko
razvijenim zemljama. U izvesnoj mjeri, to umanjuje benefite ostvarene u energetskoj
efikasnosti. Potrošnja energije za zagrijavanje vode ostala je prilično stabilna tijekom godina,
a energija korištena za kuhanje je smanjena. Očigledno je to zbog značajne promjene u
životnom stilu. Potrošnja energije za rasvjetu povećana je približno istom brzinom kao i
grijanje prostora. U kući ima sve više elektronskih uređaja. Oni zahtevaju snagu za rad i često
troše značajne količine energije čak i kada su u režimu mirovanja. Zahtjev za povećanjem nivoa
udobnosti u kući također pokreće potražnja za energijom. Nivo koji se smatra udobnim uveliko
zavisi od lokacije i od ljudi o kojima je riječ. Na primjer, Amerikanci su utvrdili da je ugodna
temperatura u rasponu od 20 do 26 ° C, dok Englezi imaju tendenciju da postignu hladnije
temperature, u rasponu od 15 °C do 21 °C. Treba napomenuti da u slučaju grijanja smanjenje
od 1 °C štedi oko 7 % troškova energije. Krajnja potrošnja energije u stambenim jedinicama
značajno varira sa lokacijom. U sjevernom dijelu Sjedinjenih Američkih Država, gdje su
uobičajene vrlo hladne zime, kuće mogu zahtijevati mnogo energije za grijanje prostora.
Nasuprot tome na jugu, klima uređaj može predstavljati najveći dio potrošnje energije.
Grijanje prostora je najveći pojedinačni doprinos potrošnji energije.
13.2. ENERGETSKI EFIKASNE KUĆE
Veliki dio energije koja se troši u svijetu koristi se za proizvodnju topline za grijavanje
stambenog prostora i proizvodnju tople vode. Kuće su sada izgrađene na takav način da su
jako izolirane i svaka izmjena zraka s vanjskim se kontroliše sa ventilacijskim sistemima. Ovo
se veoma razlikuje od ranije prakse, gdje nijedna izolacija nije bila norma, a vazduh je kružio
lahko između unutrašnjosti i spoljašnjosti na nekontrolisan način. Energetski efikasna kuća je
kuća koja koristi manje energije od normalne kuće.
127
Slika 13.3. Potrošnja energije između 1970. i 2003. godine u Velikoj Britaniji.
Dominacija fosilnih goriva za primjene u grijanju prostora je evidentna, još više kada se prizna
da se i električna energija, koja se koristi u velikoj mjeri, proizvodi ugljem ili prirodnim plinom.
Energija koja se koristi za grijanje prostora i grijanje vode čini većinu ukupne potrošnje energije
u stambenim jedinicama.
Potrošnja energije za grijanje prostora se redovito povećavala tokom godina. To ukazuje na
činjenicu da su kuće postale veće i da se sobna temperatura mijenjala, kako bi ljudi se osjećali
ugodnije. Povećanje veličine stambenih prostora je prilično česta pojava, posebno u visoko
razvijenim zemljama. U izvesnoj mjeri, to umanjuje benefite ostvarene u energetskoj
efikasnosti. Potrošnja energije za zagrijavanje vode ostala je prilično stabilna tijekom godina,
a energija korištena za kuhanje je smanjena. Očigledno je to zbog značajne promjene u
životnom stilu. Potrošnja energije za rasvjetu povećana je približno istom brzinom kao i
grijanje prostora. U kući ima sve više elektronskih uređaja. Oni zahtevaju snagu za rad i često
troše značajne količine energije čak i kada su u režimu mirovanja. Zahtjev za povećanjem nivoa
udobnosti u kući također pokreće potražnja za energijom. Nivo koji se smatra udobnim uveliko
zavisi od lokacije i od ljudi o kojima je riječ. Na primjer, Amerikanci su utvrdili da je ugodna
temperatura u rasponu od 20 do 26 ° C, dok Englezi imaju tendenciju da postignu hladnije
temperature, u rasponu od 15 °C do 21 °C. Treba napomenuti da u slučaju grijanja smanjenje
od 1 °C štedi oko 7 % troškova energije. Krajnja potrošnja energije u stambenim jedinicama
značajno varira sa lokacijom. U sjevernom dijelu Sjedinjenih Američkih Država, gdje su
uobičajene vrlo hladne zime, kuće mogu zahtijevati mnogo energije za grijanje prostora.
Nasuprot tome na jugu, klima uređaj može predstavljati najveći dio potrošnje energije.
Grijanje prostora je najveći pojedinačni doprinos potrošnji energije.
13.2. ENERGETSKI EFIKASNE KUĆE
Veliki dio energije koja se troši u svijetu koristi se za proizvodnju topline za grijavanje
stambenog prostora i proizvodnju tople vode. Kuće su sada izgrađene na takav način da su
jako izolirane i svaka izmjena zraka s vanjskim se kontroliše sa ventilacijskim sistemima. Ovo
se veoma razlikuje od ranije prakse, gdje nijedna izolacija nije bila norma, a vazduh je kružio
lahko između unutrašnjosti i spoljašnjosti na nekontrolisan način. Energetski efikasna kuća je
kuća koja koristi manje energije od normalne kuće.
UVOD U ENERGETIKU
128
Energetski efikasna kuća je onaj objekt koji troši minimalno energije za hlađenje i grijanje
prostora. Cilj gradnje takve kuće nije u prvom redu štednja, već efikasno korištenje energije s
najmanjim mogućim utjecajem na okoliš, a da se u isto vrijeme ne naruši standard života.
Energetski štedljiva kuća može se pohvaliti modernim pristupom gradnje te spremnosti da se
za njezinu gradnju koriste novi materijali i tehnologije.
Gledajući daleko u istoriju, ljudi su razmišljali kako da kuća koju grade bude zimi toplija a ljeti
hladnija, tj. toplotno konforna. Ovaj problem je proučavao Sokrat, grčki filozof još prije 2500
godina. U literaturi ovo istraživanje je poznato pod nazivom „Sokratova kuća“ (eng. Socratic
House). U osnovi Sokratovog razmatranja nalazi se uticaj kretanja Sunca na oblik, izgled i
konstrukciju kuće. Tlocrt kojeg je napravio, kao posljedicu tog istraživanja, ima oblik trapeza s
južno orijentiranom bazom i krovom koji pada prema sjeveru za smanjenje utjecaja udara
sjevernih vjetrova. Sjeverni zid je masivne konstrukcije jer u ono vrijeme nije bilo kvalitetnih
izolacijskih materijala pa se to nadoknađivalo debljinom zida. Južno orijentirani trijem
projektiran je tako da blokira visoko ljetno sunce, a istovremeno propušta niske zimske zrake
sunca duboko u prostorije. Oblikovane prema Sokratovoj ideji, kuće u sjevernoj hemisferi
trebale bi biti južno orijentirane, a u južnoj hemisferi sjeverno orijentirane, da bi se
maksimalno iskoristila solarna energija. Na drugoj strani morao bi postojati jako dobro izolirani
zid kojim se sprječava gubitak energije. Ideja Sokratove kuće zadržana je i do danas. Razlika se
očituje u razradi koncepta i u novim materijalima i tehnologijama. Poslijedično tome i u količini
energije koja se upotrebljava kako bi stanovanje u takvome objektu bilo ugodno, i u
temperaturnom i u svakom drugom smislu.
Danas, energetski efikasna kuća može se smatrati ona kuća koja troši manje energije od
normalne kuće. Postoji pet glavnih kategorija:
• niskoenergetske kuće (eng. Low Energy House),
• pasivne kuće (eng. Passive House, Ultra-low Energy House),
• kuće nulte energije (eng. Zero-energy House or Net Zero Energy House),
• autonomne kuće (eng. Autonomous Building, house with no bills),
• kuće s viškom energije (eng. Energy Plus House)
13.2.1. Niskoenergetske kuće
Niskoenergetskim kućama mogu se označiti objekti koji, u odnosu na tzv. obične kuće, imaju
manje potrebe za toplotom za grijanje i topom vodom i troše, otprilike, 30 % manje energije.
Ipak, ne postoji globalno prihvaćena definicija niskoenergetske kuće. Niskoenergetska kuća
troši oko 30 kWh/m
2
godišnje. Razlog tome su značajne varijacije u nacionalnim standardima.
Kuće koje su izgrađene u sjevernijim, hladnijim krajevima imaju drukčije raspoređenu
potrošnju energije, zimi više griju, ali ljeti ne moraju hladiti. Dakle, kuća napravljena po
standardima jedne države ne mora biti niskoenergetska po standardima druge države. Na
primjer, u Njemačkoj niskoenergetska kuća ima ograničenje u potrošnji energije za grijanje
prostorija od 50 kWh/m
2
godišnje, dok se u Švicarskoj za grijanje prostorija ne smije se koristiti
više od 42 kWh/m
2
godišnje. U ovome trenutku se kod prosječne niskoenergetske kuće u
spomenutim državama dostiže otprilike polovica tih iznosa, odnosno između 30 kWh/m
2
godišnje i 20 kWh/m
2
godišnje za grijanje prostorija.
128
Energetski efikasna kuća je onaj objekt koji troši minimalno energije za hlađenje i grijanje
prostora. Cilj gradnje takve kuće nije u prvom redu štednja, već efikasno korištenje energije s
najmanjim mogućim utjecajem na okoliš, a da se u isto vrijeme ne naruši standard života.
Energetski štedljiva kuća može se pohvaliti modernim pristupom gradnje te spremnosti da se
za njezinu gradnju koriste novi materijali i tehnologije.
Gledajući daleko u istoriju, ljudi su razmišljali kako da kuća koju grade bude zimi toplija a ljeti
hladnija, tj. toplotno konforna. Ovaj problem je proučavao Sokrat, grčki filozof još prije 2500
godina. U literaturi ovo istraživanje je poznato pod nazivom „Sokratova kuća“ (eng. Socratic
House). U osnovi Sokratovog razmatranja nalazi se uticaj kretanja Sunca na oblik, izgled i
konstrukciju kuće. Tlocrt kojeg je napravio, kao posljedicu tog istraživanja, ima oblik trapeza s
južno orijentiranom bazom i krovom koji pada prema sjeveru za smanjenje utjecaja udara
sjevernih vjetrova. Sjeverni zid je masivne konstrukcije jer u ono vrijeme nije bilo kvalitetnih
izolacijskih materijala pa se to nadoknađivalo debljinom zida. Južno orijentirani trijem
projektiran je tako da blokira visoko ljetno sunce, a istovremeno propušta niske zimske zrake
sunca duboko u prostorije. Oblikovane prema Sokratovoj ideji, kuće u sjevernoj hemisferi
trebale bi biti južno orijentirane, a u južnoj hemisferi sjeverno orijentirane, da bi se
maksimalno iskoristila solarna energija. Na drugoj strani morao bi postojati jako dobro izolirani
zid kojim se sprječava gubitak energije. Ideja Sokratove kuće zadržana je i do danas. Razlika se
očituje u razradi koncepta i u novim materijalima i tehnologijama. Poslijedično tome i u količini
energije koja se upotrebljava kako bi stanovanje u takvome objektu bilo ugodno, i u
temperaturnom i u svakom drugom smislu.
Danas, energetski efikasna kuća može se smatrati ona kuća koja troši manje energije od
normalne kuće. Postoji pet glavnih kategorija:
• niskoenergetske kuće (eng. Low Energy House),
• pasivne kuće (eng. Passive House, Ultra-low Energy House),
• kuće nulte energije (eng. Zero-energy House or Net Zero Energy House),
• autonomne kuće (eng. Autonomous Building, house with no bills),
• kuće s viškom energije (eng. Energy Plus House)
13.2.1. Niskoenergetske kuće
Niskoenergetskim kućama mogu se označiti objekti koji, u odnosu na tzv. obične kuće, imaju
manje potrebe za toplotom za grijanje i topom vodom i troše, otprilike, 30 % manje energije.
Ipak, ne postoji globalno prihvaćena definicija niskoenergetske kuće. Niskoenergetska kuća
troši oko 30 kWh/m
2
godišnje. Razlog tome su značajne varijacije u nacionalnim standardima.
Kuće koje su izgrađene u sjevernijim, hladnijim krajevima imaju drukčije raspoređenu
potrošnju energije, zimi više griju, ali ljeti ne moraju hladiti. Dakle, kuća napravljena po
standardima jedne države ne mora biti niskoenergetska po standardima druge države. Na
primjer, u Njemačkoj niskoenergetska kuća ima ograničenje u potrošnji energije za grijanje
prostorija od 50 kWh/m
2
godišnje, dok se u Švicarskoj za grijanje prostorija ne smije se koristiti
više od 42 kWh/m
2
godišnje. U ovome trenutku se kod prosječne niskoenergetske kuće u
spomenutim državama dostiže otprilike polovica tih iznosa, odnosno između 30 kWh/m
2
godišnje i 20 kWh/m
2
godišnje za grijanje prostorija.
UVOD U ENERGETIKU
129
U Hrvatskoj se prilikom definiranja niskoenergetske kuće uzima vrijednost od 30 kWh/m
2
godišnje za grijanje prostorija jer je klima povoljnija od one u Njemačkoj ili Švicarskoj. Ova
vrijednost bi u praksi trebala na jugu biti i znatno niža zbog većeg broja sunčanih dana. U
praksi, iskorištavaju se visoki nivoi osunčanja, ugrađuju se energetski učinkoviti prozori,
obavezni su niski nivoi propuštanja zraka i toplinska obnova u ventilaciji za manje energije
potrebne za grijanje i hlađenje. Dopušteni su, i poželjni, standardi prema pasivnim solarnim
tehnikama dizajna ili aktivne solarne tehnologije, odnosno ugradnja solarnih kolektora i
fotonaponskih ćelija. Često se koriste i tehnologije za recikliranje topline iz vode koja je
korištena kod tuširanja ili u stroju za pranje posuđa.
Slika 13.4. Niskoenergetska kuća
13.2.2. Pasivne kuće
Pasivna kuća je širom svijeta vodeći standard kod energetski štedljive gradnje. I samo ime joj
otkriva princip funkcionisanja toplom se održava „pasivno“, dakle bez aktivnog sistema
zagrijavanja i klimatizacije. Pasivna kuća troši do 15 kWh/m
2
godišnje. Takva kuća treba čak
90% manje energije od uobičajenog objekta i 75 % manje od današnje vrste prosječnog
novosagrađenog objekta. Ona koristi izvore energije u svojoj unutrašnjosti, kao što su toplina
sunca, toplina tijela ljudi koji u njoj žive te toplina električnih uređaja. Sa najvećom
dopuštenom potrošnjom za grijanje i hlađenje (prema propisima) do 15 kWh/m
2
godišnje
toplinske energije po jedinici korisne površine, potrebe za toplinom grijanja višestruko su
ispod onih kod niskoenergetske kuće. Neke države imaju svoje standarde, koji mnogo strože
definiraju pasivne kuće. Pasivnu kuću karakteriziraju velike staklene frontalne površine
okrenute prema jugu i relativno mali prozori okrenuti prema sjeveru kao i kompaktnost
građevinskog objekta. Pasivne kuće postižu enormnu uštedu energije zahvaljujući visokoj
kvaliteti termoizolacijskog omotača i iznimno energetski učinkovitim građevinskim
elementima. Udobnost je značajno povećana, a podešava se kroz takozvanu „individualnu
termičku ugodnost“.
Temeljna pretpostavka za pasivnu kuću i generalno energetski štedljivo građenje je vanjski
zrakoneporopusni omotač. Zrakonepropusni omotač mora biti kontinuirano i čvrsto
postavljen oko cijelog objekta i ne smije imati otvore. Prozori na takvome objektu su sa
troslojnim staklima punjenima plinom. Isto tako, ne smije biti toplinskih mostova. Time se
129
U Hrvatskoj se prilikom definiranja niskoenergetske kuće uzima vrijednost od 30 kWh/m
2
godišnje za grijanje prostorija jer je klima povoljnija od one u Njemačkoj ili Švicarskoj. Ova
vrijednost bi u praksi trebala na jugu biti i znatno niža zbog većeg broja sunčanih dana. U
praksi, iskorištavaju se visoki nivoi osunčanja, ugrađuju se energetski učinkoviti prozori,
obavezni su niski nivoi propuštanja zraka i toplinska obnova u ventilaciji za manje energije
potrebne za grijanje i hlađenje. Dopušteni su, i poželjni, standardi prema pasivnim solarnim
tehnikama dizajna ili aktivne solarne tehnologije, odnosno ugradnja solarnih kolektora i
fotonaponskih ćelija. Često se koriste i tehnologije za recikliranje topline iz vode koja je
korištena kod tuširanja ili u stroju za pranje posuđa.
Slika 13.4. Niskoenergetska kuća
13.2.2. Pasivne kuće
Pasivna kuća je širom svijeta vodeći standard kod energetski štedljive gradnje. I samo ime joj
otkriva princip funkcionisanja toplom se održava „pasivno“, dakle bez aktivnog sistema
zagrijavanja i klimatizacije. Pasivna kuća troši do 15 kWh/m
2
godišnje. Takva kuća treba čak
90% manje energije od uobičajenog objekta i 75 % manje od današnje vrste prosječnog
novosagrađenog objekta. Ona koristi izvore energije u svojoj unutrašnjosti, kao što su toplina
sunca, toplina tijela ljudi koji u njoj žive te toplina električnih uređaja. Sa najvećom
dopuštenom potrošnjom za grijanje i hlađenje (prema propisima) do 15 kWh/m
2
godišnje
toplinske energije po jedinici korisne površine, potrebe za toplinom grijanja višestruko su
ispod onih kod niskoenergetske kuće. Neke države imaju svoje standarde, koji mnogo strože
definiraju pasivne kuće. Pasivnu kuću karakteriziraju velike staklene frontalne površine
okrenute prema jugu i relativno mali prozori okrenuti prema sjeveru kao i kompaktnost
građevinskog objekta. Pasivne kuće postižu enormnu uštedu energije zahvaljujući visokoj
kvaliteti termoizolacijskog omotača i iznimno energetski učinkovitim građevinskim
elementima. Udobnost je značajno povećana, a podešava se kroz takozvanu „individualnu
termičku ugodnost“.
Temeljna pretpostavka za pasivnu kuću i generalno energetski štedljivo građenje je vanjski
zrakoneporopusni omotač. Zrakonepropusni omotač mora biti kontinuirano i čvrsto
postavljen oko cijelog objekta i ne smije imati otvore. Prozori na takvome objektu su sa
troslojnim staklima punjenima plinom. Isto tako, ne smije biti toplinskih mostova. Time se
UVOD U ENERGETIKU
130
osigurava da se površinska temperatura kuće ravnomjerno razdjeljuje, a istovremeno
sprečava eventualna pojave vlage na omotaču.
Slika 13.5. Pasivna kuća
U svakoj pasivnoj kući je nezamjenjiv sofisticirani sistem ventilacije sa rekuperacijom zraka.
Zdravlje i ugoda za stanare postiže se tako što se dovodi upravo onoliko svježeg zraka koliko
je stanarima potrebno, a već upotrijebljeni zrak se stalno odvodi iz prostorija. U prostore
boravka se dovodi „netretirani“ vanjski zrak. Time se održava visoki stepen higijene zraka, a
upravo je taj svježi vanjski zrak posebni „štos“ pasivne kuće. Uređaj za odzračivanje uzima i do
95% topline iz odlaznog zraka, koji se preko prenosnika toplote odvodi u dolazni zrak. Na taj
način se svježi zrak koristi direktno kao medij grijanja. A kao generatori topline koriste se osim
konvencionalnih kotlova za grijanje i specijalni sistemi toplotnih pumi. Pasivna kuća otplaćuje
samu sebe, ona nije zaštićeni proizvod, već građevinski koncept, koji svima stoji na
raspolaganju. Neke države imaju svoje standarde koji mnogo strože definiraju pasivne kuće. U
Njemačkoj se izraz „pasivna kuća“ odnosi na strogi i dobrovoljni „Passivhaus“ standard kojim
se definira energetska efikasnost. U Švicarskoj je u upotrebi sličan standard - MINERGIE-P.
Procjenjuj se da je broj pasivnih kuća u svijetu između 15.000 i 20.000 i velika većina ih je
izgrađena u njemački govorećim državama i Skandinaviji
13.2.3. Kuće nulte energije
Jasno je već iz naziva, riječ je o kući s nultom energetskom potrošnjom i nultom emisijom
ugljičnog dioksida godišnje. To znači da bi takva kuća mogla biti nezavisna od energetske
mreže. Kuća s nultom energetskom potrošnjom koristi obnovljive izvore energije. Međutim,
praksa pokazuje da se u nekim periodima energija dobiva iz energetske mreže, a u drugima se
vraća u energetsku mrežu. Kuća koristi obnovljive izvore energije koji su u svome djelovanju
većinom sezonski. Kako bi se postigao ovakav standard energija se mora generirati unutar
kompleksa koristeći obnovljive izvore energije koji ne zagađuju okoliš. Kuće nulte energije
zanimljive su i zbog zaštite okoliša jer se zbog obnovljivih izvora energije ispušta vrlo malo
stakleničkih plinova. Kao i slučajevima niskoenergetske ili pasivne kuće, postoji nekoliko
detaljnijih definicija kojima se određuje što zapravo znači kuća nulte energije, a najveće razlike
odnose se na definicije unutar Europe u odnosu na Sjevernu Ameriku.
Vrste kuća nulte enrgije:
130
osigurava da se površinska temperatura kuće ravnomjerno razdjeljuje, a istovremeno
sprečava eventualna pojave vlage na omotaču.
Slika 13.5. Pasivna kuća
U svakoj pasivnoj kući je nezamjenjiv sofisticirani sistem ventilacije sa rekuperacijom zraka.
Zdravlje i ugoda za stanare postiže se tako što se dovodi upravo onoliko svježeg zraka koliko
je stanarima potrebno, a već upotrijebljeni zrak se stalno odvodi iz prostorija. U prostore
boravka se dovodi „netretirani“ vanjski zrak. Time se održava visoki stepen higijene zraka, a
upravo je taj svježi vanjski zrak posebni „štos“ pasivne kuće. Uređaj za odzračivanje uzima i do
95% topline iz odlaznog zraka, koji se preko prenosnika toplote odvodi u dolazni zrak. Na taj
način se svježi zrak koristi direktno kao medij grijanja. A kao generatori topline koriste se osim
konvencionalnih kotlova za grijanje i specijalni sistemi toplotnih pumi. Pasivna kuća otplaćuje
samu sebe, ona nije zaštićeni proizvod, već građevinski koncept, koji svima stoji na
raspolaganju. Neke države imaju svoje standarde koji mnogo strože definiraju pasivne kuće. U
Njemačkoj se izraz „pasivna kuća“ odnosi na strogi i dobrovoljni „Passivhaus“ standard kojim
se definira energetska efikasnost. U Švicarskoj je u upotrebi sličan standard - MINERGIE-P.
Procjenjuj se da je broj pasivnih kuća u svijetu između 15.000 i 20.000 i velika većina ih je
izgrađena u njemački govorećim državama i Skandinaviji
13.2.3. Kuće nulte energije
Jasno je već iz naziva, riječ je o kući s nultom energetskom potrošnjom i nultom emisijom
ugljičnog dioksida godišnje. To znači da bi takva kuća mogla biti nezavisna od energetske
mreže. Kuća s nultom energetskom potrošnjom koristi obnovljive izvore energije. Međutim,
praksa pokazuje da se u nekim periodima energija dobiva iz energetske mreže, a u drugima se
vraća u energetsku mrežu. Kuća koristi obnovljive izvore energije koji su u svome djelovanju
većinom sezonski. Kako bi se postigao ovakav standard energija se mora generirati unutar
kompleksa koristeći obnovljive izvore energije koji ne zagađuju okoliš. Kuće nulte energije
zanimljive su i zbog zaštite okoliša jer se zbog obnovljivih izvora energije ispušta vrlo malo
stakleničkih plinova. Kao i slučajevima niskoenergetske ili pasivne kuće, postoji nekoliko
detaljnijih definicija kojima se određuje što zapravo znači kuća nulte energije, a najveće razlike
odnose se na definicije unutar Europe u odnosu na Sjevernu Ameriku.
Vrste kuća nulte enrgije:
UVOD U ENERGETIKU
131
• kuće sa nultom potrošnjom unutar kompleksa energiju proizvodi koristeći obnovljive
izvore energije, što je jednako energiji koja je potrošena unutar kompleksa,
• nultom potrošnjom izvorne energije označava kuću koja proizvodi istu količinu energije
koju i potroši, a uz to mora proizvesti i energiju koja se troši prilikom transporta energije
do kuće.
U kalkulaciju se ubrajaju i gubici prilikom prenosa električne energije. Ova vrsta kuće nulte
energije mora generisati više električne energije od kuće s nultom potrošnjom energije unutar
kompleksa. Pod ovom definicijom podrazumijeva se balansiranje ugljičnih emisija koje su
generirane upotrebom fosilnih goriva unutar ili izvan kompleksa s količinom energije koja je
unutar kompleksa proizvedena koristeći obnovljive izvore energije. Ostale definicije ne
uključuju samo emisije ugljika u fazi korištenja kuće, već se dodaju i emisije nastale prilikom
konstruiranja i izgradnje kuće. Postoje još i debate oko toga trebaju li se u kalkulaciju uzeti i
emisije nastale zbog prenosa energije prema kući i iz kuće natrag u mrežu, nultom cijenom
energije cijenu kupovanja energije balansira s cijenom energije koja se prodaje mreži, a
generirana je unutar kompleksa. Ovakav status ovisi o tome kako distributer energije
nagrađuje generiranje energije unutar kompleksa (isplata, kompenzacija, i drugo);
• nultom potrošnjom energije van kompleksa biva definirana i kuća situacije kada je 100%
energije koju kupuje generirano pomoću obnovljivih izvora energije, čak i ako su ti izvori
energije van kompleksa;
• odvojenim sistemom od mreže označava kuće nulte energije koje nisu priključene ni na
kakav izvor energije koji nije unutar kompleksa. Takve kuće zahtijevaju distribuiranu
proizvodnju energije iz obnovljivih izvora i pripadajuće kapacitete za pohranu te energije
(za slučaj kad sunce ne sije, vjetar ne puše i slično).
13.2.4. Autonomna kuća
Autonomna kuća je zamišljena da normalno funkcionira nezavisno od infrastrukturne podrške
izvana. Prema tome nema priključka na mrežu za distribuciju električne energije, vodovod,
kanalizaciju, komunikacijsku mrežu, a u nekim slučajevima nema ni priključka na javne
prometnice. Autonomna kuća je mnogo više od energetski učinkovite kuće energija je u ovom
slučaju samo jedan od resursa koje je potrebno dobiti iz prirode.
Slika 13.6. Autonomna kuća
13.2.5. Kuće sa viškom energije i energetski učinkovite kuće
131
• kuće sa nultom potrošnjom unutar kompleksa energiju proizvodi koristeći obnovljive
izvore energije, što je jednako energiji koja je potrošena unutar kompleksa,
• nultom potrošnjom izvorne energije označava kuću koja proizvodi istu količinu energije
koju i potroši, a uz to mora proizvesti i energiju koja se troši prilikom transporta energije
do kuće.
U kalkulaciju se ubrajaju i gubici prilikom prenosa električne energije. Ova vrsta kuće nulte
energije mora generisati više električne energije od kuće s nultom potrošnjom energije unutar
kompleksa. Pod ovom definicijom podrazumijeva se balansiranje ugljičnih emisija koje su
generirane upotrebom fosilnih goriva unutar ili izvan kompleksa s količinom energije koja je
unutar kompleksa proizvedena koristeći obnovljive izvore energije. Ostale definicije ne
uključuju samo emisije ugljika u fazi korištenja kuće, već se dodaju i emisije nastale prilikom
konstruiranja i izgradnje kuće. Postoje još i debate oko toga trebaju li se u kalkulaciju uzeti i
emisije nastale zbog prenosa energije prema kući i iz kuće natrag u mrežu, nultom cijenom
energije cijenu kupovanja energije balansira s cijenom energije koja se prodaje mreži, a
generirana je unutar kompleksa. Ovakav status ovisi o tome kako distributer energije
nagrađuje generiranje energije unutar kompleksa (isplata, kompenzacija, i drugo);
• nultom potrošnjom energije van kompleksa biva definirana i kuća situacije kada je 100%
energije koju kupuje generirano pomoću obnovljivih izvora energije, čak i ako su ti izvori
energije van kompleksa;
• odvojenim sistemom od mreže označava kuće nulte energije koje nisu priključene ni na
kakav izvor energije koji nije unutar kompleksa. Takve kuće zahtijevaju distribuiranu
proizvodnju energije iz obnovljivih izvora i pripadajuće kapacitete za pohranu te energije
(za slučaj kad sunce ne sije, vjetar ne puše i slično).
13.2.4. Autonomna kuća
Autonomna kuća je zamišljena da normalno funkcionira nezavisno od infrastrukturne podrške
izvana. Prema tome nema priključka na mrežu za distribuciju električne energije, vodovod,
kanalizaciju, komunikacijsku mrežu, a u nekim slučajevima nema ni priključka na javne
prometnice. Autonomna kuća je mnogo više od energetski učinkovite kuće energija je u ovom
slučaju samo jedan od resursa koje je potrebno dobiti iz prirode.
Slika 13.6. Autonomna kuća
13.2.5. Kuće sa viškom energije i energetski učinkovite kuće
UVOD U ENERGETIKU
132
Kuća s viškom energije ima luksuz proizvodnje energije, odnosno ona u prosjeku tokom cijele
godine proizvede više energije koristeći obnovljive izvore energije nego što je uzme iz vanjskih
sistema. To je moguće ostvariti upotrebom malih generatora električne energije,
niskoenergetskih tehnika gradnje poput pasivnog solarnog dizajna kuće te pažljivog odabira
lokacije. Većinom je takvu kuću s viškom energije teško razlikovati u odnosu na tradicionalne
kuće jer jednostavno koriste najefikasnija energetska rješenja (aparati, grijanje) u cijeloj kući.
U nekim razvijenim državama tvrtke za distribuciju električne energije moraju kupovati višak
energije iz takvih kuća i tim pristupom kuća, umjesto da pravi trošak, može zarađivati novac
za vlasnika. Kuća s viškom energije je kuća koja u prosjeku tokom cijele godine proizvede više
energije koristeći obnovljive izvore energije nego što je uzme iz vanjskih sustava.
Energetski učinkovite kuće su budućnost. Za to valja ozbiljno razmotriti sve mogućnosti
prilagođavanja života ljudi u zajednici novim izvorima energije i novim načinima štednje
energije. Energetski učinkovite kuće su samo jedan dio u globalnoj energetskoj učinkovitosti.
Trenutno na svijetu postoji relativno mali broj energetski učinkovitih kuća i zgrada, ali se sa
svakom novom energetski efikasnom kućom skupljaju prijeko potrebna iskustva koja se onda
mogu implementirati u gradnju još efikasnijih kuća. Pozitivni građevinski zakoni i propisi, te
državne potpore i sufinanciranje podizanja energetske učinkovitosti naših kuća stepenica su
ka gradnji budućnosti. A ona će morati poštovati načela energetski učinkovite kuće.
13.3. BIOKLIMATSKA ARHITEKTURA
Bioklimatska arhitektura se fokusira na smanjenje potrošnje energije i smanjenje negativnog
uticaja na okolinu. Koristeći već poznate tehnike u građevinarstvu, potrošnja energije i
pripadajuća emisija stakleničkih gasova, može se značajno reducirati. Iskorištavanjem jednog
dijela solarne radijacije pomoću adekvatnog ostakljenja, staklenih površina ili debelih zidova
omogućuje se smanjnje potrošnje energije za grijanje u zimskim periodima. Odgovarajuće
poziciniranje kuće i položaj prozora može imati značajan uticaj na komfor stanovanja. Također,
kuće sa debelim zidovima mogu ostati relativno hladne u toku vrućih ljetnih dana čak i bez air-
conditioning sistema. Poboljšanje koje bioklimatski dizajn može napraviti na području
smanjenje troškova grijanja kućanstava može se ilustrirati primjerom Uzmimo konvencionalnu
francusku kuću od 100 metara kvadratih sa zapreminom od 250 m
3
, 7 cm debela izolacija za
zidove i 14 cm debela izolacija za krov. Otvor za prozore ostaje uvijek otvoren. Temperatura u
zimskom periodu održava se na 19 °C. Energija potrebna za grijanje je oko 14.300 kWh/god.
Pretpostavimo sada da je ova kuća pravilno orijentisana i da ima 11,2 m
2
stakla okrenutog
prema jugu. Temperatura u kući se održava na 19 °C tokom dana i 15 °C tokom noći. Roletne
su zatvoreno tokom noći i 85 % zatvorene tokom ljeta. Energija potrebna za održavanje ovih
uslova smanjuje se na oko 9.400 kWh/godine, što je 34% manje nego u prethodnim
slučajevima. Na kraju, razmislite o bioklimatskoj kući iste veličine ali sa 28 m
2
zastakljivanje,
10 cm za zidove i 20 cm debele izolacije za krov. Kao i u prethodnom slučaju, roletne su ponovo
zatvorene tokom noći i 85% zatvoreno tokom ljeta. Temperatura prostora se održava na 19 °C
tokom dana i 15 °C u toku noći. Ukupna potreba za toplotnom energijom pada na oko 5.100
kWh/god, što je 65 % manje nego u prvom slučaju.
132
Kuća s viškom energije ima luksuz proizvodnje energije, odnosno ona u prosjeku tokom cijele
godine proizvede više energije koristeći obnovljive izvore energije nego što je uzme iz vanjskih
sistema. To je moguće ostvariti upotrebom malih generatora električne energije,
niskoenergetskih tehnika gradnje poput pasivnog solarnog dizajna kuće te pažljivog odabira
lokacije. Većinom je takvu kuću s viškom energije teško razlikovati u odnosu na tradicionalne
kuće jer jednostavno koriste najefikasnija energetska rješenja (aparati, grijanje) u cijeloj kući.
U nekim razvijenim državama tvrtke za distribuciju električne energije moraju kupovati višak
energije iz takvih kuća i tim pristupom kuća, umjesto da pravi trošak, može zarađivati novac
za vlasnika. Kuća s viškom energije je kuća koja u prosjeku tokom cijele godine proizvede više
energije koristeći obnovljive izvore energije nego što je uzme iz vanjskih sustava.
Energetski učinkovite kuće su budućnost. Za to valja ozbiljno razmotriti sve mogućnosti
prilagođavanja života ljudi u zajednici novim izvorima energije i novim načinima štednje
energije. Energetski učinkovite kuće su samo jedan dio u globalnoj energetskoj učinkovitosti.
Trenutno na svijetu postoji relativno mali broj energetski učinkovitih kuća i zgrada, ali se sa
svakom novom energetski efikasnom kućom skupljaju prijeko potrebna iskustva koja se onda
mogu implementirati u gradnju još efikasnijih kuća. Pozitivni građevinski zakoni i propisi, te
državne potpore i sufinanciranje podizanja energetske učinkovitosti naših kuća stepenica su
ka gradnji budućnosti. A ona će morati poštovati načela energetski učinkovite kuće.
13.3. BIOKLIMATSKA ARHITEKTURA
Bioklimatska arhitektura se fokusira na smanjenje potrošnje energije i smanjenje negativnog
uticaja na okolinu. Koristeći već poznate tehnike u građevinarstvu, potrošnja energije i
pripadajuća emisija stakleničkih gasova, može se značajno reducirati. Iskorištavanjem jednog
dijela solarne radijacije pomoću adekvatnog ostakljenja, staklenih površina ili debelih zidova
omogućuje se smanjnje potrošnje energije za grijanje u zimskim periodima. Odgovarajuće
poziciniranje kuće i položaj prozora može imati značajan uticaj na komfor stanovanja. Također,
kuće sa debelim zidovima mogu ostati relativno hladne u toku vrućih ljetnih dana čak i bez air-
conditioning sistema. Poboljšanje koje bioklimatski dizajn može napraviti na području
smanjenje troškova grijanja kućanstava može se ilustrirati primjerom Uzmimo konvencionalnu
francusku kuću od 100 metara kvadratih sa zapreminom od 250 m
3
, 7 cm debela izolacija za
zidove i 14 cm debela izolacija za krov. Otvor za prozore ostaje uvijek otvoren. Temperatura u
zimskom periodu održava se na 19 °C. Energija potrebna za grijanje je oko 14.300 kWh/god.
Pretpostavimo sada da je ova kuća pravilno orijentisana i da ima 11,2 m
2
stakla okrenutog
prema jugu. Temperatura u kući se održava na 19 °C tokom dana i 15 °C tokom noći. Roletne
su zatvoreno tokom noći i 85 % zatvorene tokom ljeta. Energija potrebna za održavanje ovih
uslova smanjuje se na oko 9.400 kWh/godine, što je 34% manje nego u prethodnim
slučajevima. Na kraju, razmislite o bioklimatskoj kući iste veličine ali sa 28 m
2
zastakljivanje,
10 cm za zidove i 20 cm debele izolacije za krov. Kao i u prethodnom slučaju, roletne su ponovo
zatvorene tokom noći i 85% zatvoreno tokom ljeta. Temperatura prostora se održava na 19 °C
tokom dana i 15 °C u toku noći. Ukupna potreba za toplotnom energijom pada na oko 5.100
kWh/god, što je 65 % manje nego u prvom slučaju.
UVOD U ENERGETIKU
133
13.3.1. Izolacija
Prirodni smjer izmjene toplote između dva objekta različite temperature uvijek će biti od
toplijeg objekta do hladnijeg objekta. Čim dva tijela u kontaktu imaju različitu temperaturu,
toplota teče od toplijeg tijela ka hladnijem dok se temperature ne izjednače. Ova izmjena
toplote će se odvijati spontano, ali se može dramatično usporiti ako se izolirani materijal
postavi između dva tijela. Osnovna svrha toplotne izolacije je smanjenje provođenja toplote iz
grijanog prostora u vanjski negrijani okoliš, odnosno iz jedne prostorije u drugu.
Pojednostavnjeno, pod pojmom toplotne izolacije smatramo materijale s niskom vrijednošću
koeficijenta toplotne provodljivosti koji se ugrađuju u građevne dijelove, u prvom redu radi
toplotne zaštite u zimskom razdoblju, ali i u ljetnom. Izolacioni materijali su oni koji
osiguravaju visoku otpornost na prenos toplote. Otpor zavisi od vrste materijala, njegove
gustine i debljine. Zimi izolacija usporava „curenje“ toplote izvana a ljeti usporava prenos
toplote u kuću. Postoje mnogi materijali sa korisnim mogućnostima izolacije. Oni se mogu jako
razlikovati u efikasnosti i cijeni. Na primjer, vakuum je vrlo dobar izolator ali se ne koristi u
zgradama. Slika 13.4 prikazuje različite tehnike termalne izolacije.
Slika 13.7. Različite vrste termoizolacionih tehnika.
Transfer termalne energije se sastoji od tri fizička fenomena: kondukcija, konvekcija i
radijacija. Ukupan prenos toplote jednak je njihovom zbiru:
U = kondukcija + konvekcija + radijacija
Prvih nekoliko centimetara izolacionog materijala su najefikasniji. Cilj primjene kvalitetne
toplinske izolacije nije samo smanjenje potrošnje energije, već i osiguranje povoljne
mikroklime stambenih prostora. Pod tim, osim temperature unutarnjeg zraka,
podrazumijevamo i temperaturu unutarnjih površina u prostoriji, te vlažnost zraka. Općenito
ugodnu osjetnu, ambijentalnu temperaturu. U današnje vrijeme, kao izolatori, najviše se
primjenjuju mineralne vune i polistireni. Učinkovitost toplinske izolacije u prvom redu ovisi o
primjeni na određenom građevinskom dijelu i o očekivanim mehaničkim opterećenjima,
klimatskim i biološkim utjecajima i sl. Kvalitetnom izolacijom moguća je ušteda od najmanje
50% u odnosu na isti takav, ali toplinski neizoliran objekat.
133
13.3.1. Izolacija
Prirodni smjer izmjene toplote između dva objekta različite temperature uvijek će biti od
toplijeg objekta do hladnijeg objekta. Čim dva tijela u kontaktu imaju različitu temperaturu,
toplota teče od toplijeg tijela ka hladnijem dok se temperature ne izjednače. Ova izmjena
toplote će se odvijati spontano, ali se može dramatično usporiti ako se izolirani materijal
postavi između dva tijela. Osnovna svrha toplotne izolacije je smanjenje provođenja toplote iz
grijanog prostora u vanjski negrijani okoliš, odnosno iz jedne prostorije u drugu.
Pojednostavnjeno, pod pojmom toplotne izolacije smatramo materijale s niskom vrijednošću
koeficijenta toplotne provodljivosti koji se ugrađuju u građevne dijelove, u prvom redu radi
toplotne zaštite u zimskom razdoblju, ali i u ljetnom. Izolacioni materijali su oni koji
osiguravaju visoku otpornost na prenos toplote. Otpor zavisi od vrste materijala, njegove
gustine i debljine. Zimi izolacija usporava „curenje“ toplote izvana a ljeti usporava prenos
toplote u kuću. Postoje mnogi materijali sa korisnim mogućnostima izolacije. Oni se mogu jako
razlikovati u efikasnosti i cijeni. Na primjer, vakuum je vrlo dobar izolator ali se ne koristi u
zgradama. Slika 13.4 prikazuje različite tehnike termalne izolacije.
Slika 13.7. Različite vrste termoizolacionih tehnika.
Transfer termalne energije se sastoji od tri fizička fenomena: kondukcija, konvekcija i
radijacija. Ukupan prenos toplote jednak je njihovom zbiru:
U = kondukcija + konvekcija + radijacija
Prvih nekoliko centimetara izolacionog materijala su najefikasniji. Cilj primjene kvalitetne
toplinske izolacije nije samo smanjenje potrošnje energije, već i osiguranje povoljne
mikroklime stambenih prostora. Pod tim, osim temperature unutarnjeg zraka,
podrazumijevamo i temperaturu unutarnjih površina u prostoriji, te vlažnost zraka. Općenito
ugodnu osjetnu, ambijentalnu temperaturu. U današnje vrijeme, kao izolatori, najviše se
primjenjuju mineralne vune i polistireni. Učinkovitost toplinske izolacije u prvom redu ovisi o
primjeni na određenom građevinskom dijelu i o očekivanim mehaničkim opterećenjima,
klimatskim i biološkim utjecajima i sl. Kvalitetnom izolacijom moguća je ušteda od najmanje
50% u odnosu na isti takav, ali toplinski neizoliran objekat.
UVOD U ENERGETIKU
134
Primjenom debljih izolacija u odnosu na minimalno zahtijevane propisom, kvalitetnim
rješavanjem ventilacije i zrakopropusnosti objekta uštede se kreću i do 70-80 %. Povrat
investicije se kreće već od 2 do 2,5 godina za skuplje energente (električna energija, loživo ulje)
pa do 3,5 do 4 godine ako se kao energent upotrebljava zemni plin.
13.3.2. Ostakljenje
Površina prozora u kući je glavni parametar koji ima najveći uticaj na potrošnju energije za
grijanje/hlađenje. U standardnoj kući energetski toplotni gubici kroz prozore iznose 10% od
ukupnih gubitaka. Većina starih kuća je opremljena prozorima sa jednom staklenom
površinom. Danas su razvijene tehnologije sa dvije ili tri staklene površine. Prozor sa dvije
staklene površine je 5 puta energetski efikasniji od klasičnog prozora sa jednom staklenom
površinom, dok prozor sa tri staklene površine je 2 puta energetski efikasniji od prozora sa
dvije staklene površine.
Slika 13.5. Dvostruko staklo.
13.3.3. Rasvjeta
Umjetno osvetljenje uveliko proširuje mogućnost obavljanja širokog spektra ljudske aktivnosti
na udoban način. Mnogo vijekova, prije nego što je otkriven fenomen žarenja, plamen je bio
jedini izvor umjetno svjetlo. U modernim vremenima druge pojave (luminiscencija i
fosforescentnost) pružile su nove mogućnosti za proizvodnju umjetnog svjetla uz niske
troškove. Lampica sa električnim lukom sastoji se od dvije grafitne elektrode odvojene zrakom.
Proizvodi svijetlo uspostavljanjem električnog luka između dve elektrode. Otkrio ga je
Humphry Davy početkom devetnaestog stoljeća. Ova tehnologija je bila široko razvijena u
drugoj polovini 19. stoljeća. Elektrolučne lampe su bile važan dio tržišta rasvjete sve do kad je
Tomas Edison izumio sijalicu sa žarnom niti 1878. godine. Klasična sijalica sa žarnom niti još je
uvijek najrašireniji tip rasvjete, no koristi se sve manje. Svjetlost nastaje tako što električna
struja teče kroza žarnu nit od Wolframa i ugrijava je na temperaturu od 2600-3000 K te usijava.
Svjetlosna iskoristivost iznosi oko 9-17 lm/W (5% svjetla – 95% topline). Posebnosti su ovoga
tipa rasvjete: svjetlosni tok starenjem pada i do 15% (životni vijek 1.000 h), osjetljivost na pad
napona, odnosno porast napona (rapidno se smanjuje životni vijek). Halogene sijalica imaju
žarnu nit, ali koriste termičko zračenje pri generiranju svjetla. Dodavanjem halogenida
omogućavaju se više temperature, manji volumen i gotovo nikakav faktor prljanja, tako da se
povećava i učinkovitost (više od 10% energije pretvara se u vidljivu svjetlost ). U odnosu na
klasične sijalice sa žarnom niti halogene sijalice traju i do 4.000 sati, imaju veću svjetlosnu
iskoristivost, konstantan tok i sjajno bijelo svjetlo. No, s obzirom na strukturu ostao je problem
osjetljivosti na pad odnosno rast napona. Fluorescentna sijalica pripada niskotlačnim izvorima.
134
Primjenom debljih izolacija u odnosu na minimalno zahtijevane propisom, kvalitetnim
rješavanjem ventilacije i zrakopropusnosti objekta uštede se kreću i do 70-80 %. Povrat
investicije se kreće već od 2 do 2,5 godina za skuplje energente (električna energija, loživo ulje)
pa do 3,5 do 4 godine ako se kao energent upotrebljava zemni plin.
13.3.2. Ostakljenje
Površina prozora u kući je glavni parametar koji ima najveći uticaj na potrošnju energije za
grijanje/hlađenje. U standardnoj kući energetski toplotni gubici kroz prozore iznose 10% od
ukupnih gubitaka. Većina starih kuća je opremljena prozorima sa jednom staklenom
površinom. Danas su razvijene tehnologije sa dvije ili tri staklene površine. Prozor sa dvije
staklene površine je 5 puta energetski efikasniji od klasičnog prozora sa jednom staklenom
površinom, dok prozor sa tri staklene površine je 2 puta energetski efikasniji od prozora sa
dvije staklene površine.
Slika 13.5. Dvostruko staklo.
13.3.3. Rasvjeta
Umjetno osvetljenje uveliko proširuje mogućnost obavljanja širokog spektra ljudske aktivnosti
na udoban način. Mnogo vijekova, prije nego što je otkriven fenomen žarenja, plamen je bio
jedini izvor umjetno svjetlo. U modernim vremenima druge pojave (luminiscencija i
fosforescentnost) pružile su nove mogućnosti za proizvodnju umjetnog svjetla uz niske
troškove. Lampica sa električnim lukom sastoji se od dvije grafitne elektrode odvojene zrakom.
Proizvodi svijetlo uspostavljanjem električnog luka između dve elektrode. Otkrio ga je
Humphry Davy početkom devetnaestog stoljeća. Ova tehnologija je bila široko razvijena u
drugoj polovini 19. stoljeća. Elektrolučne lampe su bile važan dio tržišta rasvjete sve do kad je
Tomas Edison izumio sijalicu sa žarnom niti 1878. godine. Klasična sijalica sa žarnom niti još je
uvijek najrašireniji tip rasvjete, no koristi se sve manje. Svjetlost nastaje tako što električna
struja teče kroza žarnu nit od Wolframa i ugrijava je na temperaturu od 2600-3000 K te usijava.
Svjetlosna iskoristivost iznosi oko 9-17 lm/W (5% svjetla – 95% topline). Posebnosti su ovoga
tipa rasvjete: svjetlosni tok starenjem pada i do 15% (životni vijek 1.000 h), osjetljivost na pad
napona, odnosno porast napona (rapidno se smanjuje životni vijek). Halogene sijalica imaju
žarnu nit, ali koriste termičko zračenje pri generiranju svjetla. Dodavanjem halogenida
omogućavaju se više temperature, manji volumen i gotovo nikakav faktor prljanja, tako da se
povećava i učinkovitost (više od 10% energije pretvara se u vidljivu svjetlost ). U odnosu na
klasične sijalice sa žarnom niti halogene sijalice traju i do 4.000 sati, imaju veću svjetlosnu
iskoristivost, konstantan tok i sjajno bijelo svjetlo. No, s obzirom na strukturu ostao je problem
osjetljivosti na pad odnosno rast napona. Fluorescentna sijalica pripada niskotlačnim izvorima.
UVOD U ENERGETIKU
135
Svjetlost dobivamo tako da elektroni od sudara, u npr. živinim parama, stvaraju nevidljivo
zračenje koje se pri dodiru sa stjenkom premazanom fluorescentnim premazom pretvara u
vidljivu svjetlost. Ovo je vrlo raširen oblik rasvjete zbog visoke svjetlosne iskoristivosti (70-130
lm/W) i dugog vijeka trajanja (6-15 000 sati), a primarna učinkovitost je oko 25 % (4-5 puta
više od klasične sijalice). Štedne sijalice troše manje energije nego slične obične sijalice.
Trajanje štedne sijalice je osam puta duže od obične sijalice.
13.3.4. Ventilacija i voda
Nove kuće su napravljene tako da su hermetički dobro zatvorene i zbog toga je konstrolsina
izmjena vazduha sa okolinom neophodna zbog zdravstenih razloga. Ventilacija može biti
pasivna i aktivna. Pasivna ventilacija radi pomoću mehanizma različite gustoće vrućeg i
hladnog zraka dok aktivna ventilacija koristi ventilatore. Najjednostavnija je mehanička
ventilacija koja izvlači vazduh iz kuhinje i kupatila (prostorije koje imaju značajnu vlagu).
Ventilacija takođe može biti dizajnirana tako da dio topline sadržan u izlaznom zraku se
oporavlja. U jednofrekventnim ventilatorima za vraćanje toplote ventilator ima izmjenjivač
topline i oko 65% topline izlaznog zraka se vraća. Sistem se može generalizovati na cijelu kuću
sa centralnom jedinicom. U ovomu slučaju povrat toplote može iznositi oko 85-90 %.
Zrak obično sadrži vodenu paru. Koncentracija vode u zraku varira i ne može premašiti zadanu
vrijednost na određenoj temperaturi. Ako se to dogodi, vodena para se kondenzira u tekuću
vodu i stvara neželjenu vlagu, koja može uzrokovati nagrizanje različitih materijala.
Kondenzacija se obično odvija na hladnim mjestima. Kondenzacija dovodi do povećanja
vlažnosti. Dobra ventilacija je neophodna da se spriječe ovi problemi. Većina vlage stvorene u
kući dolazi iz aktivnosti stanovnika, a količina ispuštene vode zavisi od životnog stila i
aktivnosti.
13.4. POTROŠNJA ENERGIJE U DOMAĆINSTVU
Potrošnja energije u zgradama odnosno kućanstvima jako ovisi o tehničkim karakteristikama
same građevine (obliku i konstrukcijskim materijalima), karakteristikama energetskih sistema
koji se nalaze u građevini (rasvjeta, uređaji, grijanje i sl.) i o klimatskim uslovima u kojima se
građevina nalazi. Energetska učinkovitost je suma isplaniranih i provedenih mjera čiji je cilj
korištenje minimalno moguće količine energije, tako da nivo udobnosti i stopa proizvodnje
ostanu sačuvane. Prevedeno na svakodnevni jezik, cilj energetske učinkovitosti je potrošiti što
manje energije za obavljanje iste funkcije Energetska učinkovitost ne smije se promatrati kao
štednja energije, jer štednja energije podrazumijeva određena odricanja, dok učinkovita
upotreba energije nikada ne narušava uslove rada i življenja. Ona se prvenstveno odnosi na
promjenu svijesti ljudi i volji za promjenom ustaljenih navika. Energetska politiku 20–20–20
do 2020. godine ima za cilj zadovoljiti zahtjeve za energijom uz smanjenje utjecaja na okoliš i
klimatske promjene. Cilj takve energetske politike je za 20% smanjiti emisiju stakleničkih
plinova, za 20% smanjiti potrošnju energije i na 20% povećati korištenje obnovljivih izvora
energije u proizvodnji električne energije do 2020. Na slici 13.8 je prikazana slika relativne
važnosti različitih vidova potrošnje električne energije (bez električnog grijanja ili hlađenja) u
tipičnom francuskom domaćinstvu.
135
Svjetlost dobivamo tako da elektroni od sudara, u npr. živinim parama, stvaraju nevidljivo
zračenje koje se pri dodiru sa stjenkom premazanom fluorescentnim premazom pretvara u
vidljivu svjetlost. Ovo je vrlo raširen oblik rasvjete zbog visoke svjetlosne iskoristivosti (70-130
lm/W) i dugog vijeka trajanja (6-15 000 sati), a primarna učinkovitost je oko 25 % (4-5 puta
više od klasične sijalice). Štedne sijalice troše manje energije nego slične obične sijalice.
Trajanje štedne sijalice je osam puta duže od obične sijalice.
13.3.4. Ventilacija i voda
Nove kuće su napravljene tako da su hermetički dobro zatvorene i zbog toga je konstrolsina
izmjena vazduha sa okolinom neophodna zbog zdravstenih razloga. Ventilacija može biti
pasivna i aktivna. Pasivna ventilacija radi pomoću mehanizma različite gustoće vrućeg i
hladnog zraka dok aktivna ventilacija koristi ventilatore. Najjednostavnija je mehanička
ventilacija koja izvlači vazduh iz kuhinje i kupatila (prostorije koje imaju značajnu vlagu).
Ventilacija takođe može biti dizajnirana tako da dio topline sadržan u izlaznom zraku se
oporavlja. U jednofrekventnim ventilatorima za vraćanje toplote ventilator ima izmjenjivač
topline i oko 65% topline izlaznog zraka se vraća. Sistem se može generalizovati na cijelu kuću
sa centralnom jedinicom. U ovomu slučaju povrat toplote može iznositi oko 85-90 %.
Zrak obično sadrži vodenu paru. Koncentracija vode u zraku varira i ne može premašiti zadanu
vrijednost na određenoj temperaturi. Ako se to dogodi, vodena para se kondenzira u tekuću
vodu i stvara neželjenu vlagu, koja može uzrokovati nagrizanje različitih materijala.
Kondenzacija se obično odvija na hladnim mjestima. Kondenzacija dovodi do povećanja
vlažnosti. Dobra ventilacija je neophodna da se spriječe ovi problemi. Većina vlage stvorene u
kući dolazi iz aktivnosti stanovnika, a količina ispuštene vode zavisi od životnog stila i
aktivnosti.
13.4. POTROŠNJA ENERGIJE U DOMAĆINSTVU
Potrošnja energije u zgradama odnosno kućanstvima jako ovisi o tehničkim karakteristikama
same građevine (obliku i konstrukcijskim materijalima), karakteristikama energetskih sistema
koji se nalaze u građevini (rasvjeta, uređaji, grijanje i sl.) i o klimatskim uslovima u kojima se
građevina nalazi. Energetska učinkovitost je suma isplaniranih i provedenih mjera čiji je cilj
korištenje minimalno moguće količine energije, tako da nivo udobnosti i stopa proizvodnje
ostanu sačuvane. Prevedeno na svakodnevni jezik, cilj energetske učinkovitosti je potrošiti što
manje energije za obavljanje iste funkcije Energetska učinkovitost ne smije se promatrati kao
štednja energije, jer štednja energije podrazumijeva određena odricanja, dok učinkovita
upotreba energije nikada ne narušava uslove rada i življenja. Ona se prvenstveno odnosi na
promjenu svijesti ljudi i volji za promjenom ustaljenih navika. Energetska politiku 20–20–20
do 2020. godine ima za cilj zadovoljiti zahtjeve za energijom uz smanjenje utjecaja na okoliš i
klimatske promjene. Cilj takve energetske politike je za 20% smanjiti emisiju stakleničkih
plinova, za 20% smanjiti potrošnju energije i na 20% povećati korištenje obnovljivih izvora
energije u proizvodnji električne energije do 2020. Na slici 13.8 je prikazana slika relativne
važnosti različitih vidova potrošnje električne energije (bez električnog grijanja ili hlađenja) u
tipičnom francuskom domaćinstvu.
UVOD U ENERGETIKU
136
Slika 13.8. Potrošnja električne energije u Francuskoj
13.5. UTICAJ NA OKOLINU
Posljednjih godina svjedoci smo s problemom drastičnoga povećanja potrošnje energije u
uredima i kućanstvima, što je postalo predmetom opsežne dugogodišnje rasprave u razvijenim
zemljama, a sve sa ciljem rješavanja problema prevelike potrošnje električne energije.
Uvećenje emisije CO2 u odnosu na 1970 godinu je 70 %. U takvim okolnostima, krajem 1995.
godine, pokrenut je međunarodni Energy Star program, temeljen na dogovoru Japana i SAD.
To je bio skup kriterija za usmjeren na smanjenje potrošnje energije kod aparata za
domaćinstvo i uredske opreme s prvenstvenim ciljem očuvanja životne sredine. Kasnije su i
zemlje kao što su Australija, Novi Zeland, Tajvan, Kanada i druge podržale i pristupile ovom
programu, a nakon toga i zemlje EU. Temeljni cilj Projekta je ostvarenja ušteda u pogledu
potrošnje električne energije u kućanstvima. Oznaka energetske učinkovitosti uređaja je
jedinstvena oznaka, koja sadrži podatke o proizvođaču kućanskog uređaja, vrsti, tipu i modelu
kućanskog uređaja, razredu učinkovitosti te potrošnji energije kao i vrijednostima specifičnim
za pojedinu vrstu, tip i model kućanskog uređaja.
Trošak proizvodnje 1 kWh toplotne energije sa električnom energijom može biti relativno
visok. Međutim, primjenom toplotnih pumpi omogućava se iskorištavanje toplote nekih
drugih izvora (zrak, voda), kao i preciznu kontrolu sobne temperature, te se na taj način ova
vrsta grijanja pokazala kao poželjno rješenje. Isti nivo kontrole je teško je postići sa nekim
drugim sistemima grijanja.
Slika 13.9. Princip toplotne pumpe koja izdvaja toplinu iz hladnog izvora
136
Slika 13.8. Potrošnja električne energije u Francuskoj
13.5. UTICAJ NA OKOLINU
Posljednjih godina svjedoci smo s problemom drastičnoga povećanja potrošnje energije u
uredima i kućanstvima, što je postalo predmetom opsežne dugogodišnje rasprave u razvijenim
zemljama, a sve sa ciljem rješavanja problema prevelike potrošnje električne energije.
Uvećenje emisije CO2 u odnosu na 1970 godinu je 70 %. U takvim okolnostima, krajem 1995.
godine, pokrenut je međunarodni Energy Star program, temeljen na dogovoru Japana i SAD.
To je bio skup kriterija za usmjeren na smanjenje potrošnje energije kod aparata za
domaćinstvo i uredske opreme s prvenstvenim ciljem očuvanja životne sredine. Kasnije su i
zemlje kao što su Australija, Novi Zeland, Tajvan, Kanada i druge podržale i pristupile ovom
programu, a nakon toga i zemlje EU. Temeljni cilj Projekta je ostvarenja ušteda u pogledu
potrošnje električne energije u kućanstvima. Oznaka energetske učinkovitosti uređaja je
jedinstvena oznaka, koja sadrži podatke o proizvođaču kućanskog uređaja, vrsti, tipu i modelu
kućanskog uređaja, razredu učinkovitosti te potrošnji energije kao i vrijednostima specifičnim
za pojedinu vrstu, tip i model kućanskog uređaja.
Trošak proizvodnje 1 kWh toplotne energije sa električnom energijom može biti relativno
visok. Međutim, primjenom toplotnih pumpi omogućava se iskorištavanje toplote nekih
drugih izvora (zrak, voda), kao i preciznu kontrolu sobne temperature, te se na taj način ova
vrsta grijanja pokazala kao poželjno rješenje. Isti nivo kontrole je teško je postići sa nekim
drugim sistemima grijanja.
Slika 13.9. Princip toplotne pumpe koja izdvaja toplinu iz hladnog izvora
UVOD U ENERGETIKU
137
Stambeni i životni stil blisko su povezani što se tiče potrošnje energije i CO2. Mnoge odluke
koje donosi potrošač imaju veliki uticaj na emisiju CO2. Potrebe za stambenom energijom su
visoke, ali danas postoje mnoge poznate tehnologije koje se mogu koristiti za značajno
smanjenje potrošnje energije zgrada bez gubitak udobnosti.
137
Stambeni i životni stil blisko su povezani što se tiče potrošnje energije i CO2. Mnoge odluke
koje donosi potrošač imaju veliki uticaj na emisiju CO2. Potrebe za stambenom energijom su
visoke, ali danas postoje mnoge poznate tehnologije koje se mogu koristiti za značajno
smanjenje potrošnje energije zgrada bez gubitak udobnosti.
Tags
Categories
TechnologyDownload
Download Slideshow Get the original presentation fileQuick Actions
Statistics
- Views 53
- Slides 137
- Age 369 days
Related Slideshows
11
8-top-ai-courses-for-customer-support-representatives-in-2025.pptx
JeroenErne2
86 views
10
7-essential-ai-courses-for-call-center-supervisors-in-2025.pptx
JeroenErne2
80 views
13
25-essential-ai-courses-for-user-support-specialists-in-2025.pptx
JeroenErne2
76 views
11
8-essential-ai-courses-for-insurance-customer-service-representatives-in-2025.pptx
JeroenErne2
62 views
21
Know for Certain
DaveSinNM
37 views
17
PPT OPD LES 3ertt4t4tqqqe23e3e3rq2qq232.pptx
novasedanayoga46
41 views