Proizvodnja električne energije Prednosti i nedostaci postojećih tehnologija Mreža mlade generacije Hrvatskoga nuklearnoga društva (MMG HND) Tehnički muzej, Zagreb Zagreb, 2013. Izdavači Mreža mlade generacije Hrvatskoga nuklearnoga društva, www.nuklearno-drustvo.hr Tehnički muzej, Zagreb, www.tehnicki-muzej.hr Ilustracije Martina Štengl, Josip Lebegner Dizajn i prijelom Mix ideja d.o.o., Zagreb Zagreb, 2013. Uvod P roteklo će stoljeće u povijesti razvoja civilizacije ostati zabilježeno kao razdoblje velikih sukoba, ali i velikoga napretka znanosti i tehnologije. Na početku prošloga stoljeća Zemlju je naseljavalo oko milijardu i pol ljudi. Danas se taj broj povećao na više od sedam milijardi. Prosječna očekivana životna dob tada je iznosila tridesetak godina, a danas iznosi više od šezdeset godina. Elek trična energija jedno je od ključnih otkrića jer njezina primjena omogućuje vrtoglav napredak znanosti i tehnologije, a samim time i kvalitete ljudskoga života. Prvi su put velike količine energije uporabljive za najrazličitije aktivnosti bile dostupne gotovo svakomu. Danas je svakodnevni život modernoga čovjeka u većem dijelu svijeta (naime i dalje gotovo trećina svjetske populacije nema pristup električnoj energiji) bitno ovisan o pouzdanim i jeftinim izvorima električne energije. Teško se može zamisliti neka ljudska aktivnost koja ne uključuje uporabu električne energije, čak i onda kada to nije tako očito. U posljednje vrijeme ljudska vrsta postaje svjesna da svojim načinom života i potrebom da život učini što lakšim i ugodnijim ugrožava biljne i životinjske vrste s kojima dijeli sudbinu Zemlje. To se ponajprije očituje u onečišćavanju okoliša, a jedan od najvećih izvora onečišćavanja uporaba je fosilnih goriva za grijanje, transport i proizvodnju električne energije. Neupitno je da su nam kvalitetni izvori električne energije prijeko potrebni i da će nam u budućnosti trebati sve više i više električne energije, no isto je tako neupitno da je briga o okolišu jedna od primarnih zadaća koje moramo obaviti da bismo budućim generacijama ostavili Zemlju kao ugodno mjesto za život. Svrha je ove brošure upoznati čitatelje s postojećim tehnologijama proiz vodnje električne energije i skrenuti im pozornost na prednosti i nedostatke svake od njih. 3 Proizvodnja električne energije − elektrane K ako bi se energijom koja je svugdje oko nas mogli koristiti, ljudi su razvili način dobivanja i prijenosa električne energije. Električna je energija postala temelj civilizacije i preduvjet razvoja jer je to oblik (sekundarne) energije prikladan za prijenos i ponovnu pretvorbu prema namjeni (u mehaničku, toplinsku ili kemijsku energiju). Energija (definirana kao sposobnost obavljanja rada) u svome primarnom obliku može biti: •• kinetička •• potencijalna •• unutrašnja kalorička (toplina) •• kemijska •• nuklearna. U elektranama se oblici primarne energije (ili energija Sunčeva zračenja) pretvaraju u električnu energiju. Postoji nekoliko podjela elektrana prema učestalosti upotrijebljenih izvora energije (pa onda i prema tehnološkoj razvijenosti za proizvodnju velikih količina energije). Tako imamo: •• konvencionalne (klasične) − unutrašnja energija fosilnih goriva (ugljena, plina, nafte), potencijalna energija vode te nuklearna energija (uranija) •• nekonvencionalne (alternativne) − kinetička energija vjetra, potencijalna (energija plime i oseke te valova) i toplinska energija mora, unutrašnja energija biogoriva (biodizela i bioplina) te biomase, geotermalna energija, nuklearna energija (fuzija) te Sunčevo zračenje. 4 13% 17% 3% 67% Fosilna goriva Hidroenergija Nuklearna goriva Ostali obnovljivi izvori Udio pojedinih izvora energije u proizvodnji električne energije Opći su kriteriji za izbor prihvatljivosti tehnologije za proizvodnju električne energije, uz nužnu sigurnost opskrbe električnom energijom: •• potencijal u odnosu na buduće potrebe (zalihe) •• tehnička razvijenost •• ekonomska prihvatljivost •• utjecaj na čovjeka i okoliš. Termoelektrane na ugljen T ermoelektrane su energetska postrojenja u kojima se toplina (dobivena izgaranjem fosilnih i drugih goriva, odnosno nuklearnom fisijom) pretvara u mehaničku, a potom u električnu energiju. Dakle dobivena toplina služi za pretvorbu vode u paru. Para pokreće turbinu, a ona pak pokreće generator električne energije. Termoelektrane možemo podijeliti: •• prema vrsti pogonskih strojeva (plinsko-turbinsko postrojenje, parno-turbinsko postrojenje te kombinirana postrojenja) •• prema načinu upotrebe pare (kondenzacijske, proizvode samo električnu energiju, i kogeneracijske, proizvode i električnu energiju i paru) •• prema gorivu •• prema hlađenju (protočno ili povratno hlađenje kondenzatora). Termoelektrane na ugljen termoelektrane su u kojima se potrebna količina topline osigurava izgaranjem ugljena. Iako termoelektrane na ugljen imaju znatan (negativan) ekološki utjecaj, razvoj i primjena novih tehnologija značajno pridonose smanjenju toga utjecaja (primjerice mjere za smanjenje emisija dušikovih oksida, sumporova dioksida i čestica, odsumporavanje, filtri za uklanjanje čestica ili izdvajanje ugljikova dioksida). Danas se najviše električne energije u svijetu proizvodi upravo u ovakvim postrojenjima. Nedostaci •• nesreće u rudnicima ugljena •• velike količine ugljena potrebne za pogon elektrane (elektrana od 500 megavata treba oko 3 500 tona ugljena dnevno) •• iskapanjem rude i izgaranjem ugljena stvaraju se velike količine otpada (otpad može biti opasan i kemijski i radijacijski) •• emisije dušikovih i sumporovih oksida iz termoelektrana odgovorne su za stvaranje kiselih kiša, a one su opasne za biljni i životinjski svijet •• emisija dušikova dioksida iz termoelektrana dominantna je komponenta ljudskih emisija stakleničkih plinova Prednosti •• relativno jeftina električna energija (niska i stabilna cijena ugljena na svjetskome tržištu) •• zalihe ugljena dovoljne su za sljedećih 300 − 900 godina (ovisno o proizvodnji električne energije, odnosno o potrebama za električnom energijom) •• poznata i pouzdana tehnologija dobivanja, prerade i uporabe ugljena 5 Termoelektrane na plin P rirodni plin smjesa je plinovitoga ugljikovodika s prevladavajućim udjelom metana (između 75 i 97 posto), a ostatak, u znatno manjim udjelima, čine etan, propan, butan, dušik, ugljikov dioksid i drugi spojevi. Plin se danas rabi u kombiniranim plinsko‑parnim postrojenjima u kojima je učinkovitost toplinske pretvorbe znatno veća nego u klasičnim termoenergetskim postrojenjima. Još se veća učinkovitost uporabe energije (do 90 posto) postiže povezivanjem kombiniranoga procesa s kogeneracijskim procesom (tzv. termoelektrane‑toplane), pri čemu se iskorištava otpadna toplina parne turbine. Prednosti •• specifične investicije plinskih termoelektrana relativno su niske (više od dvostruko niže od investicijskih troškova termoelektrana na ugljen) •• troškovi održavanja plinskih termoelektrana znatno su niži od troškova održavanja termoelektrana na ugljen •• prirodni plin najčišće je fosilno gorivo − gotovo ne sadržava sumpor pa je emisija sumporova dioksida u dimnim plinovima termoelektrane na plin neznatna, dok je s druge strane, zbog visoke učinkovitosti kombiniranih procesa, emisija ugljikova dioksida također smanjena u odnosu na emisije pri iskorištavanju drugih fosilnih goriva 6 Nedostaci •• cijena električne energije u plinskoj termoelektrani znatno varira i može postati vrlo skupa (cijena goriva jako ovisi o geopolitičkim uvjetima) •• onečišćenje okoliša zbog istjecanja metana te ugljikova i dušikova dioksida na bušotini •• prirodni je plin skup, posebice su visoki troškovi prijenosa •• zalihe su plina male, a i očekuju se znatan manjak prirodnoga plina nakon 2020. godine •• plin je vrlo neravnomjerno raspoređen u svijetu − u većim ga količinama ima samo u Sibiru i Skandinaviji te na Bliskome istoku Nuklearne elektrane N uklearna je elektrana vrsta termoelektrane koja pretvara nuklearnu energiju (pohranjenu u jezgrama atoma nuklearnoga goriva) u toplinsku energiju posredstvom nuklearne fisije. Fisija se odvija u nuklearnome reaktoru, a dobivena se toplina upotrebljava za proizvodnju pare. Ona pokreće parnu turbinu spojenu na električni generator. Reaktori koji su u pogonu reaktori su takozvane II. generacije. Danas se rade reaktori III. i III.+ generacije, a razvijaju se reaktori IV. generacije. Prednosti reaktora IV. generacije jesu učinkovitije iskorištavanje nuklearnoga goriva (a time i bolje upravljanje zalihama), poboljšana nuklearna sigurnost i manji volumen nastaloga radioaktivnog otpada. Prednosti •• stabilan i pouzdan izvor električne energije •• konkurentna cijena kilovatsata električne energije proizvedene u nuklearnoj elektrani •• nema emisije stakleničkih plinova •• nudi mogućnost drugih primjena (desalinizacija, kogeneracija − grijanje, proizvodnja velikih količina vodika bez emisije ugljikova dioksida) Tip reaktora Nedostaci •• nastajanje radioaktivnoga otpada •• negativna percepcija javnosti (strah od moguće nuklearne nesreće, zbrinjavanje otpada) Gorivo Moderator Rashladni fluid Broj u svijetu obogaćeni uranij obična voda (bez vrenja) obična voda 264 BWR (eng. Boiling Water Reactor) obogaćeni uranij obična voda (uz vrenje) obična voda 92 HWR (eng. Heavy Water Reactor) obogaćeni uranij teška voda teška voda 44 metalni, prirodni uranij; obogaćeni uranij grafit ugljikov dioksid 18 RBMK (rus. reaktor boljšoj močnosti kipjaščij); LWGR (eng. Light Water Cooled, Graphite Moderated Reactor) obogaćeni uranij grafit obična voda 16 HTGR (eng. High Temperature Gas Reactor) obogaćeni uranij grafit helij 4 FBR (eng. Fast Breeder Reactor) obogaćeni uranij nema ga (brzi neutroni) tekući metal 2 PWR (eng. Pressurized Water Reactor) GCR (eng. Gas Cooled Reactor, „magnox”) + AGR (eng. Advanced Gas Reactor) 7 Energija biomase B iomasa je zajednički naziv za različite proizvode biljnoga i životinjskoga podrijetla čijim se spaljivanjem dobiva toplinska energija koja se može rabiti za grijanje ili za proizvodnju električne energije u manjim termoelektranama. Isto se tako može upotrebljavati i za proizvodnju biogoriva (bioetanola i biodizela) te bioplina. Bioplin se može upotrebljavati za pogon vozila ili kao gorivo za termoelektrane, dakle za proizvodnju električne energije. Biomasa se može podijeliti: •• na drvnu biomasu (ostaci i otpad nastao pri piljenju, brušenju, blanjanju i sličnom) •• na nedrvnu biomasu (ostaci i otpad iz poljoprivrede: slama, oklasak, stabljike, koštice, ljuske i drugo) •• na biomasu životinjskoga podrijetla •• na biomasu iz otpada (zelena frakcija kućnoga otpada te biomasa iz parkova i vrtova). Biomasa se smatra obnovljivim izvorom energije i često se naziva ugljično neutralnim gorivom, unatoč tomu što može doprinijeti globalnome zagrijavanju. To se događa ako se poremeti ravnoteža sječe i sadnje drveća, na primjer pri krčenju šuma ili pri urbanizaciji zelenih površina. Kada 8 Prednosti •• manje emisije kiselih spojeva nego pri izgaranju fosilnih goriva •• neutralna emisija ugljikova dioksida (jednaka ili manja od one koju je biljka apsorbirala procesom fotosinteze) •• mogućnost zapošljavanja stanovništva u ruralnim krajevima Nedostaci •• ekonomska neisplativost za proizvodnju električne energije •• mala snaga i raspršenost proizvodnih jedinica •• smanjuje se površina poljoprivrednoga zemljišta za proizvodnju hrane, što tu proizvodnju čini skupljom se biomasa upotrebljava kao gorivo umjesto fosilnih goriva ispušta jednaku količinu ugljikova dioksida u atmosferu. Ugljik iz biomase, koji sačinjava otprilike pedeset posto njezine mase, već jest dio atmosferskoga ugljičnoga kruga. Biomasa apsorbira ugljikov dioksid tijekom svoga životnog ciklusa te ga ispušta natrag u atmosferu kad se upotrebljava za dobivanje energije. Hidroelektrane H idroelektrane su postrojenja koja se grade na određenome dijelu rijeke kako bi se energetski iskoristila potencijalna energija vode u proizvodnji električne energije. Potencijalna se energija vode najprije pretvara u kinetičku energiju njezina strujanja, a potom u mehaničku energiju vrtnje vratila turbine te, konačno, u električnu energiju u električnome generatoru. Hidroelektranu u širem smislu čine i sve građevine i postrojenja koja služe za prikupljanje, dovođenje i odvođenje vode, potom za pretvorbu, transformaciju i razvod električne energije te za smještaj i upravljanje cijelim sustavom. Prema načinu iskorištavanja vode, odnosno regulacije protoka, hidroelektrane se dijele: •• na akumulacijske, kod kojih se dio vode prikuplja (akumulira) kako bi se mogao upotrijebiti kada je potrebnije Prednosti •• proizvodnjom električne energije ne stvara se otpad i nema emisija tvari koje onečišćuju okoliš (jer nema izgaranja goriva) •• niski proizvodni troškovi (nema troška goriva, dug životni vijek hidroelektrane) •• protočne hidroelektrane pomažu u prevenciji poplava i regulaciji riječnoga prometa •• vodospremnici akumulacijskih hidroelektrana osiguravaju vodu za navodnjavanje i za kućnu uporabu •• na protočne, kod kojih se snaga vode iskorištava kako ona dotječe •• na reverzibilne ili crpno-akumulacijske, kod kojih se dio vode koji nije potreban pomoću viška struje u sustavu crpi i akumulira na većoj visini, odakle se pušta kada je potrebnije. Proizvodnja u hidroelektranama najrasprostranjeniji je način proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora i obuhvaća otprilike 16 posto ukupno proizvedene električne energije. Prva hidroelektrana u Europi sagrađena je u Šibeniku, na rijeci Krki. Puštena je u pogon 28. kolovoza 1895., čime je Šibenik postao prvi grad u svijetu s izmjeničnom strujom i prvi grad u Hrvatskoj s javnom rasvjetom. Hidroelektrana Jaruga još uvijek je u pogonu. Nedostaci •• značajan utjecaj na lokalne hidrološke sustave i mikroklimu •• velik utjecaji na lokalnu floru i faunu •• poplavljivanje zemljišta (koje može biti iskorišteno na drugi način) •• moguća je potreba za raseljavanjem stanovništva (izgradnja velikih brana) •• velike brane jako utječu na riječni tok i potencijalna su opasnost (zbog mogućnosti loma brane) •• proizvodnja ovisi o hidrološkim uvjetima 9 Vjetroelektrane T ehnologija za uporabu kinetičke energije vjetra za proizvodnju električne energije jest vjetroelektrana. Drugačije rečeno, sustav s mnogo vjetroagregata smještenih na istoj lokaciji naziva se vjetroelektrana (ili vjetropark). Vjetroagregat se sastoji od rotora (vjetroturbina), kočnoga sustava, elemenata za uležištenje vratila, upravljačkoga i nadzornoga sustava, električnoga generatora, opreme za zakretanje, kućišta stroja (gondole), stupa, prijenosnika snage, temelja, transformatora, spoja na elektroenergetski sustav te posebne opreme. Iako postoje različite izvedbe i konstrukcije vjetroagregata, danas su najzastupljeniji vjetroagregati s horizontalnom osi, a instalirana snaga danas doseže između 3 i 4,5 megavata. Vjetroelektrane mogu biti kopnene (onshore), pučinske (offshore), a razvijaju se i plutajuće i visinske (zračne) vjetroelektrane. Prednosti •• energetska postrojenja koja tijekom rada ni kemijski ni biološki ne onečišćuju okoliš (jer nema izgaranja goriva) •• smanjivanje specifičnih troškova investicije (napredak tehnologije i državne subvencije/ naknade) •• mogućnost kombiniranoga pogona (sa solarnim i plinskim elektranama) 10 Nedostaci •• niska ukupna iskoristivost vjetropotencijala (oko 30 posto) •• niska iskoristivost maksimalne snage vjetroelektrane zbog parametara vjetra (brzine, intenziteta, trajanja) •• relativno veliko zauzeće zemljišta zbog male gustoće energije vjetra (za proizvodnju 1000 megavata potrebno je područje od 50 do 150 četvornih kilometara) •• buka •• nepovoljan utjecaj na karakteristike elektroenergetskoga sustava zbog nestalnosti proizvodnje •• potreba za subvencijama i naknadama zbog još nekonkurentne proizvodne cijene po kilovatsatu •• ne smanjuje se potreba za izgradnjom drugih (konvencionalnih) tipova elektrana Solarne elektrane (solarna energija) S olarne termalne elektrane ili Sunčeve termoelektrane izvori su električne energije dobivene pretvorbom Sunčeve energije. Dva su osnovna načina za pretvorbu Sunčeve energije u električnu energiju. Prvi je izravna pretvorba energije s pomoću solarnih ćelija fotonaponskom konverzijom, dok je drugi način klasični, pretvorbom Sunčeve energije u toplinsku energiju, a zatim toplinske u električnu energiju. S obzirom na neraspoloživost solarnih elektrana tijekom noći, razvijaju se koncepti energetskih spremnika (energy storage). Koncentrirana solarna (termalna) elektrana Zbog potrebe za visokim temperaturama gotovo se svi oblici solarnih termalnih elektrana moraju koristiti nekakvim oblikom koncentriranja Sunčevih zraka s velikog prostora na malu površinu. Kako se tijekom dana položaj Sunca na nebu mijenja, tako se stalno mijenja i najpovoljniji kut pod kojim njegove zrake padaju na zrcala. Stoga je potrebno ugraditi sustave koji će stalno prilagođavati njihov položaj. Ti su sustavi nužni kako bi se dobila što veća učinkovitost, no oni i najviše pridonose tome što su cijene solarnih termalnih elektrana vrlo visoke. Snižavanje cijene moguće je skladištenjem topline (a ne struje) jer je takva tehnologija danas jeftinija, a proizvodnja topline ionako je nužna za funkcioniranje ovakvoga tipa elektrana. Time je također moguće dobivati električnu energiju i onda kada to inače ne bi bilo moguće (za vrijeme smanjene insolacije − mjera energije solarne radijacije primljene ili predane od određene površine u određenome vremenu). Prednosti •• neiscrpan izvor energije •• pogon ni kemijski, ni radioaktivno, ni toplinski ne onečišćuje okoliš •• pri primjeni nema potencijalnih opasnosti •• perspektivna i za razvijene i za nerazvijene zemlje Nedostaci •• zemljopisno neravnomjerno raspoređena •• oscilacije tijekom dana, mjeseca i godine •• mala gustoća energetskoga toka •• proizvodnja dijelova i komponenata solarnih elektrana znatno opterećuje okoliš •• slaba ekonomska isplativost •• pri iskorištavanju zauzima velike površine •• ne smanjuje se potreba za izgradnjom drugih (konvencionalnih) tipova elektrana 11
© Copyright 2024 Paperzz
