Modernizacija školskih kurikuluma u skladu s promjenjivim potrebama tržišta
rada/gospodarstva
ZELENE VJEŠTINE ZA ELEKTROTEHNIKU I STROJARSTVO
OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE
Skripta
Prof.dr.sc. Damir Šljivac, dipl.ing.
Danijel Topić,dipl.ing.
Osijek, 2013.
1
1.1
OSNOVE KARAKTERISTIKE
ENERGIJE
I
REGULATIVA
OBNOVLJIVIH
IZVORA
Potreba za obnovljivim izvorima energije
Suvremeni elektroenergetski sustavi uglavnom su razvijeni tijekom posljednjih 50
godina. Razvoj je slijedio ideju vodilju prema kojoj su veliki središnji generatori preko
transformatora injektirali električnu snagu u visokonaponsku prijenosnu mrežu. Zatim
je prijenosni sustav korišten za transport snage, često i na velikim udaljenostima. Na
kraju, snaga je iz prijenosnog sustava preko serije distribucijskih transformatora
usmjeravana kroz srednjenaponsku i niskonaponsku distribucijsku mrežu prema
potrošačima na nižem naponu.
Međutim, odnedavna se ponovno pojavilo značajno zanimanje za priključenjem
proizvodnih objekata na distribucijsku mrežu. Ova je namjera poznata kao
distribuirana proizvodnja električne energije (eng. distributed or dispersed or
embedded generation) [1].
Konvencionalni ustroj suvremenih elektroenergetskih sustava nudi veliki broj
prednosti. Veće proizvodne jedinice mogu biti učinkovitije te su u pogonu s relativno
manjim brojem pogonskog osoblja. Povezane visokonaponske prijenosne mreže
omogućuju minimiziranje zahtjeva za snagom pričuve generatora. Veliki iznosi snage
mogu biti prenijeti na velikim udaljenostima uz ograničene gubitke. Distribucijske
mreže mogu se u tom slučaju projektirati za jednosmjerne tokove snaga i
dimenzionirati samo za potrebe potrošačkih opterećenja.
U posljednjih nekoliko godina pojavilo se više utjecaja čije je kombiniranje dovelo do
povećanog zanimanja za distribuiranu proizvodnju iz obnovljivih izvora energije (OIE)
(smanjenje emisije CO2, programi energetske učinkovitosti ili racionalnog korištenja
energije, deregulacija i natjecanje, diversifikacija energetskih izvora, zahtjevi za
samoodrživosti nacionalnih energetskih sustava…). Utjecaj na okoliš jedan je od
značajnih faktora u razmatranju priključenja novih proizvodnih objekata na mrežu.
Stvaraju se programi iskorištavanja obnovljivih izvora koji uključuju vjetroelektrane,
male hidroelektrane, fotonaponske izvore, zemni plin, energiju iz otpada te iz
biomase. Kogeneracijske sheme koriste otpadnu toplinu termalnih proizvodnih
objekata bilo za industrijske procese ili grijanje te su vrlo dobar način povećanja
ukupne energetske učinkovitosti. Obnovljivi izvori imaju znatno manju energetsku
vrijednost u usporedbi s fosilnim gorivima zbog čega su njihove elektrane manje
veličine te geografski široko raspodijeljene i priključuju se uglavnom na distribucijsku
mrežu.
S jedne se strane nalaze inženjeri motivirani iskustvenim spoznajama o složenosti
pogona elektroenergetskog sustava koji iskazuju zabrinutost u pogledu elementarne
ostvarivosti masovnog uvođenja nereguliranih i neupravljivih generatora u
elektroenergetsko, a posebice distribucijsku mrežu. S druge se pak strane nalaze
entuzijastični zagovarači izvora obnovljive energije poput vjetroelektrana i
kogeneracije električne i toplinske energije (eng. combined heat and power, CHP)
koji vjeruju da takve proizvodne jedinice nužno treba uvoditi u pogon kako bi se
ispunili domaći i međunarodni zahtjevi za smanjenjem emisije CO 2.
1
Štoviše, obnovljivi izvori povećavaju samoodrživost elektroenergetskog sustava u
slučajevima eventualne energetske krize u proizvodnji električne energije koja je
danas ovisna o isporuci ugljena, plina i nafte.
Slika 1. „Tri vala“ fosilnih godina i potreba za obnovljivim izvorima energije
1.2
Podjela izvora energije
Osnovni izvori energije koji se nalaze u prirodi su: energija Sunca, energija Zemlje i
energija gravitacije. S obzirom na vremensku mogućnost njihovog iscrpljivanja
prirodni (primarni) oblici energije dijele se na [2]:
a)
neobnovljivi oblici energije

Fosilna goriva (ugljen, nafta, zemni plin, uljni škriljevci)

Nuklearna goriva

Unutarnja toplina Zemlje (geotermalna energija)
b)
OBNOVLJIVI OBLICI ENERGIJE

Vodne snage, (energija vodotokova, morskih struja i valova, plime i
oseke)

Biomasa (i bioplin, uključujući i drvo i otpatke)

Energija Sunčeva zračenja

Energija vjetra.
1.2.1 Svojstva obnovljivih izvora energije
Svojstva nekonvencionalnih izvora energije ne možemo promatrati izdvojeno od
općenito znanih svojstava konvencionalnih izvora, tek uspoređivanjem s tim
2
svojstvima možemo utemeljeno donositi kvalifikative nekonvencionalnih izvora. Neka
svojstva nekonvencionalnih izvora su poželjna a neka nepoželjna. Na slici 2
prikazana su pretežno ispunjena poželjna svojstva OIE.
Slika 2. Pretežno ispunjena poželjna svojstva nekonvencionalnih izvora [3]
1.3
Zakonska regulativa o OIE
1.3.1 Direktive EU o OIE
2001. godine Europska unija usvojila je Direktivu o obnovljivim izvorima (2001/77/EC)
koja predstavlja obvezu za zakonodavstva zemalja-članica EU, u smislu povećanja
udjela obnovljivih izvora u proizvodnji električne energije. U ukupnoj proizvodnji
električne energije u 1997. godini prosječni udjel obnovljivih izvora bio je 13,9%, koji
se mora u 2010. godini prosječno podići na 22,1%. U ukupne udjele prema direktivi
uključene su i velike HE, iako se radi o konvencionalnom izvoru energije!
Nova direktiva 2009/28/EC, koja je donesena 2009., za promoviranje korištenja
obnovljivih izvora, ima cilj uspostaviti ukupan udio od 20 % udjela obnovljivih izvora
energije u energetskoj potrošnji i minimalan udio od 10 % biogoriva u prijevozu EU
do 2020. godine. Još jedan od ciljeva je usklađivanje nacionalnih ciljeva svih zemalja
članica EU. Kao referentna godina se uzima 2007. godina.
Glavni cilj direktive 2009/28/EC je tzv 3x20 do 2020. godine:
 20 % manje emisije CO2
 20 % obnovljivih izvora energije
 20 % veća energetska učinkovitost.
Više o samoj direktivi se može naći na stranicama Europske komisije:
http://ec.europa.eu/climateaction/ .
U tablici 1 prikazani su usvojeni nacionalni ciljevi udjela OIE u ukupnoj energetskoj
potrošnji.
3
Tablica 1. Usvojeni nacionalni ciljevi udjela OIE u ukupnoj energetskoj potrošnji
Zemlja
Udio (%) OIE u
krajnjoj potrošnji
2005.
Udio (%) OIE u
krajnjoj potrošnji
2020.
Belgija
2,2
13
Bugarska
9,4
16
Češka
6,1
13
Danska
17,0
30
Njemačka
5,8
18
Estonija
18,0
25
Irska
3,1
16
Grčka
6,9
18
Španjolska
8,7
20
Francuska
10,3
23
Italija
5,2
17
Cipar
2,9
13
Latvija
34,9
42
Litva
15,0
23
Luksemburg
0,9
11
Mađarska
4,3
13
Malta
0,0
10
Nizozemska
2,4
14
Austrija
23,3
34
Poljska
7,2
15
Portugal
20,5
31
Rumunjska
17,8
24
Slovenija
16,0
25
Slovačka
6,7
14
Finska
28,5
38
Švedska
39,8
49
Velika Britanija
1,3
15
Ukupno EU-27
8,5
20,0
4
1.3.2 Zakonska regulativa OIE u Hrvatskoj i tarifni sustav
Značajan pomak u području obnovljivih izvora energije u Hrvatskoj se dogodio 22.
ožujka 2007. kada je Vlada usvojila paket podzakonskih akata koji reguliraju to
područje, temeljene na dokumentima:
 Strategija energetskog razvitka Republike Hrvatske (2002., 2008.)
 Nacionalna strategija zaštite okoliša (NN 46/2002)
 Nacionalni energetski programi i dr.
Poseban položaj OIE-a i kogeneracije definiran je i u Zakonu o energiji (NN 68/2001,
177/2004) koji eksplicitno izražava pozitivan stav prema njima pa se u njegovom
članku 14, stavku 1. izrijekom kaže da je njihovo korištenje u interesu Hrvatske.
Prema Strategiji energetskog razvitka Hrvatske (2008.), očekivani instalirani
kapaciteti (snage) elektrana na OIE do 2020. i 2030. prikazani su tablici 2 [4].
Tablica 2. Očekivani instalirani kapaciteti (snaga)
Nekonvencionalni IE
2020.
2030.
Elektrane na biomasu [MW]
135
420
Elektrane na komunalni otpad [MW]
35
105
Vjetroelektrane [MW]
1200
2000
Male hidroelektrane [MW]
140
250
Geotermalne elektrane [MW]
20
30
Sunčeve elektrane [MW]
45
250
Ukupno nekonvencionalni:
1575 MW
3055 MW
2007. godine donesen je niz propisa koji se odnose na proizvodnju električne
energije iz OIE. To su sljedeći propisi [12]:
 Uredba o minimalnom udjelu električne energije proizvedene iz obnovljivih
izvora energije i kogeneracije čija se proizvodnja potiče (NN 33/07)
 Uredba o naknadama za poticanje proizvodnje električne energije iz
obnovljivih izvora energije i kogeneracije (NN 33/07)
 Tarifni sustav za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora energije i
kogeneracije (NN 33/07)
 Pravilnik o korištenju obnovljivih izvora energije i kogeneracije (NN 67/07)
 Pravilnik o stjecanju statusa povlaštenog proizvođača električne energije (NN
67/07).
Od tada su (u skladu s ovim propisima) svake godine donesene Uredbe o izmjeni
Uredbe o naknadama za poticanje proizvodnje električne energije iz obnovljivih
5
izvora energije i kogeneracije (NN 133/07, NN 155/08, NN 155/09, NN 8/11, NN
144/11) kojima se za svaku godinu definira iznos Naknade za poticanje [13].
Značajnije izmjene i dopune propisa dogodile su se 2012. godine. Na dan, 6. lipnja
2012. godine došlo je do usvajanja novog Tarifnog sustava za proizvodnju električne
energije iz OIE i kogeneracije (NN 63/12) kojim se uz korekciju poticajnih cijena
najveća izmjena vezana uz smanjenje poticajne cijene za sve sunčane elektrane (FN
sustave ), a osobito one koje nisu integrirane u građevine [13].
19. srpnja 2012. doneseni su (NN 88/12):
 Novi Pravilnik o stjecanju statusa povlaštenog proizvođača električne energije
u kojem se uz tehnički značajno preciznije definiranje energetskih pojmova
uvodi i pojam jednostavnih građevina kojima se značajno pojednostavljuje
procedura osobito za male sunčane elektrane
 Novi Pravilnik o korištenju OIE i kogeneracije usklađen s novim Tarifnim
sustavom
31. listopada 2012. usvojene Izmjene i dopune tarifnog sustava (NN 121/12) kojima
se preciziraju odredbe vezane uz kvote za sunčane elektrane (15 MW integrirane, 10
MW neintegrirane), doprinos lokalnoj zajednici radi ostvarivanja dodatnih poticaja i dr.
6
2
2.1
ELEKTRANE NA BIOMASU I BIOPLIN
Vrste i osnovne značajke biomase [18]
Biomasa je biorazgradivi dio proizvoda, otpada i ostataka poljoprivredne proizvodnje
(biljnog i životinjskog porijekla), šumarske i srodnih industrija. Energija iz biomase
dolazi u čvrstom, tekućem (npr. biodizel, bioetanol, biometanol) i plinovitom stanju
(npr. bioplin, plin iz rasplinjavanja biomase i deponijski plin).
Biomasa je obnovljivi izvor energije, a općenito se može podijeliti na drvnu, nedrvnu i
životinjski otpad, unutar čega se mogu razlikovati:
 drvna biomasa (ostaci iz šumarstva, otpadno drvo)
 drvna uzgojena biomasa (brzorastuće drveće)
 nedrvna uzgojena biomasa (brzorastuće alge i trave)
 ostaci i otpaci iz poljoprivrede
 životinjski otpad i ostaci
 gradski i industrijski otpad.
Glavna prednost u korištenju biomase kao izvora energije su obilni potencijali, ne
samo u tu svrhu zasađene biljne kulture već i otpadni materijali u poljoprivrednoj i
prehrambenoj industriji. Plinovi koji nastaju korištenjem biomase mogu se također
iskoristiti u proizvodnji energije. Prednost biomase u odnosu na fosilna goriva je i
neusporedivo manja emisija štetnih plinova i otpadnih tvari. Računa se da je
opterećenje atmosfere s CO2 pri korištenju biomase kao goriva zanemarivo, budući
da je količina emitiranog CO2 prilikom izgaranja jednaka količini apsorbiranog CO2
tijekom rasta biljke (slika 3) - ukoliko su sječa i prirast drvne mase u održivom odnosu
– 1 hektar šumskih površina godišnje apsorbira jednaku količinu CO 2 koja se
oslobađa izgaranjem 88 000 litara loživog ulja ili 134 000 m 3 prirodnog plina.
Međutim spaljivanje biomase stvaraju se i drugi zagađujući plinovi te otpadne vode.
Samo je u velikim pogonima isplativa izgradnja uređaja za reciklažu otpada, dok u
manjim to nije isplativo pa se postavlja pitanje koliko je to u ekološkom smislu
profitabilno. Osim toga, prikupljanje, transport i skladištenje biomase vrlo je skupo što
je još jedan nedostatak ove tehnologije.
Korištenje biomase omogućava i zapošljavanje (otvaranje novih i zadržavanje
postojećih radnih mjesta), povećanje lokalne i regionalne gospodarske aktivnosti,
ostvarivanje dodatnog prihoda u poljoprivredi, šumarstvu i drvnoj industriji kroz
prodaju biomase-goriva (procjenjuje se da je u 2005. godini na poslovima
proizvodnje biomase i njenog korištenja za energiju na području Europske unije bilo
zaposleno preko pola milijuna ljudi).
7
Slika 3. Kumulativna CO2 neutralnost (ukoliko je sječa usklađena sa prirastom –
ekološki prihvatljivo)
2.1.1 Drvna biomasa
Postoje razni načini da se iz drvne biomase dobije energija. Upotrebljava se isključivo
šumska biomasa (ostaci i otpad nastali redovitim gospodarenjem šumama, prostorno
i ogrjevno drvo) i biomasa iz drvne industrije (ostaci i otpad pri piljenju, brušenju,
blanjanju -gorivo u vlastitim kotlovnicama, sirovina za proizvode, briketi i peleti nastaju sabijanjem, odnosno prešanjem usitnjene drvne biomase u rasutom stanju
radi transporta i automatizacije loženja, i dr. - jeftinije i kvalitetnije gorivo od šumske
biomase). Pri obradi drveta gubi se oko 35 - 40% od ulazne sirovine u procesu
proizvodnje, a količina otpada za neke proizvode kao što su parketi iznosi i do 65%.
Biomasa se može izravno pretvarati u energiju jednostavnim sagorijevanjem
(izgaranjem) te se tako proizvesti pregrijana vodena para za grijanje u industriji i
kućanstvima ili za dobivanje električne energije u malim termoelektranama.
Osnovne su značajke pri primjeni šumske ili drvne biomase kao energenta jednake
kao kod svakog goriva:
 kemijski sastav
 ogrjevna (energetska) vrijednost
 temperatura samozapaljenja
 temperatura izgaranja
 fizikalna svojstva koja utječu na ogrjevnost (npr. gustoća, vlažnost i dr).
Na slici 4 prikazani su načini iskorištavanja drvne biomase.
8
Slika 4. Načini iskorištavanja drvne biomase
2.1.2 Nedrvna biomasa
Osim ostale nedrvne biomase, u Hrvatskoj bi osobitu važnost mogli imati ostaci iz
poljoprivrede, tj. poljoprivredna biomasa (kukuruzovina, oklasak, stabljike suncokreta,
slama, ljuske, koštice višanja, ostatke pri rezidbi vinove loze i maslina, kore od
jabuka...). Iskustva iz razvijenih zemalja, u Europi osobito Danske, pokazuju kako se
radi o vrijednom izvoru energije koji se ne bi trebao zanemariti.
Ilustrativan je stoga sljedeći primjer. Nakon berbe kukuruza na obrađenom zemljištu
ostaje kukuruzovina, stablijika s lišćem, oklasak i komušina. Budući da je prosječni
odnos zrna i mase (tzv. žetveni omjer) 53% : 47%, proizlazi kako biomase približno
ima koliko i zrna. Ako se razluče kuruzovina i oklasak, tada je njihov odnos prosječno
82% :18%, odnosno na proizvedenu 1 t zrna kukuruza dobiva se i 0,89 t biomase
kukuruza što čine 0,71 t kukuruzovine i 0,18 t oklaska. Iako je neosporno kako se
nastala biomasa mora prvenstveno vraćati u zemlju, preporučuje se zaoravanje
između 30 i 50% te mase, što znači da za energetsku primjenu ostaje najmanje 30%.
Na ogrjevne vrijednosti nedrvne biomase podjednako utječu udio vlage i pepela. Udio
pepela u nedrvenim biljnim ostacima može iznositi i do 20% pa značajno utječe na
ogrjevnost (npr. slama-veći udio Na, Cl, K-manja temperatura taljenja pepalataloženje). Općenito, supstance koje čine pepeo nemaju nikakvu energetsku
vrijednost (energetska vrijednost biljnih ostataka: 5,8 – 16,7 MJ/kg).
Osim ostataka i otpada postoji veliki broj biljnih vrsta koje je moguće uzgajati tzv.
energetski nasadi sa velikim prinosima; kao što su brzorastuće drveće i kineske trske
s godišnjim prinosom od 17 tona po hektaru, eukaliptus: 35 t suhe tvari, zelene alge s
prinosom od 50 tona po hektaru, biljke bogate uljem ili šećerom, a u Hrvatskoj se
najveći prinosi postižu s topolama,vrbama i jablanima.
9
2.1.3 Bioplin
Bioplin je mješavina plinova koja nastaje fermentacijom biorazgradivog materijala u
okružju bez kisika. On je mješavina metana CH4 (40-75 %), ugljičnog dioksida CO2
(25-60 %) i otprilike 2 % ostalih plinova (vodika H2, sumporovodika H2S, ugljikovog
monoksida CO). Bioplin je otprilike 20 % lakši od zraka i bez mirisa je i boje.
Temperatura zapaljenja mu je između 650 i 750 0C, a gori čisto plavim plamenom.
Njegova kalorijska vrijednost je oko 20 MJ/Nm3 i gori sa oko 60 %-om učinkovitošću
u konvencionalnoj bioplinskoj peći. [15]
Bioplin se dobiva iz organskih materijala. Podrijetlo sirovina može varirati, od stočnih
otpadaka, žetvenih viškova, ostataka ulja od povrća do organskih otpadaka iz
kućanstava. Osim tih materijala, za proizvodnju bioplina može se koristiti i trava. Ali
fermentacijska postrojenja za travu moraju ispunjavati više tehničke zahtjeve od
konvencionalnih bioloških bioplinskih postrojenja, koja koriste čvrsto ili tekuće
gnojivo.
Postoje dva osnovna tipa organske digestije (razgradnje): aerobna (uz prisustvo
kisika) i anaerobna (bez prisustva kisika). Svi organski materijali, i životinjski i biljni,
mogu biti razgrađeni u ova dva procesa, ali produkti će biti vrlo različiti. Aerobna
digestija (fermentacija) proizvodi ugljični dioksid, amonijak i ostale plinove u malim
količinama, veliku količinu topline i konačni proizvod koji se može upotrijebiti kao
gnojivo. Anaerobna digestija proizvodi metan, ugljični dioksid, nešto vodika i ostalih
plinova u tragovima, vrlo malo topline i konačni proizvod sa većom količinom dušika
nego što se proizvodi pri aerobnoj fermentaciji. Takvo gnojivo sadrži dušik u
mineraliziranom obliku (amonijak) koje biljke mogu brže preuzeti nego organski dušik
što ga čini posebno pogodnim za oplemenjivanje obradivih površina. Anaerobna
digestija (slika 5) se odvija samo u specifičnim uvjetima među kojima su ulazna pH
vrijednost ulazne mješavine između 6 i 7, potrebna temperatura od 25-35 0C te
određeno vrijeme zadržavanja mješavine u digestoru [15].
Slika 5. Proces anaerobne digestije [16]
Termokemijske tehnologije pretvorbe biomase u energiju, osim sagorijevanja, su još i
rasplinjavanje i piroliza.
Rasplinjavanje se provodi na visokoj temperaturi (i do 1400˚C) uz ograničen dotok
kisika, čime se povećava efikasnost proizvodnje električne energije u plinskoj turbini
oko 35% (moguće i do 45%), u parnom kotlu na drva oko 20%. Glavni problem kod
rasplinjavanja su plinske turbine koje su vrlo osjetljive na nečistoće u plinu (čestice,
10
para) –potrebno pročišćavanje, a to je skupo. Sastav plina je CO, CH 4 i H2, a
svojstva ovise o dizajnu uređaja za rasplinjavanje (odozgo (protustrujno), odozdo
(istostrujno) ili u sloju), temperaturi, vlažnosti i sastavu biomase, sredstvu
rasplinjavanja (zrak: 4-6 MJ/Nm3 ili kisik: 15-20 MJ/Nm3 ).
Piroliza je također termokemijski proces, s ograničenim dotokom kisika (druga faza
sagorijevanja i rasplinjavanja), pri čemu dolazi do isparavanja hlapljivih sastojaka i
proizvodnje tekućeg goriva (bio-ulja), pogodnije za transport i skladištenje (manji
troškovi). Složeni je proces: vrlo promjenjiva svojstva bio-ulja ovisno o uvjetima i
sirovini, ulje slično nafti. Znatan potencijal (npr. piroliza otpada), ali potrebna ulaganja
u istraživanje i razvoj, za sada malo primjera komercijalnih postrojenja.
2.1.4 Alkoholna goriva (etanol)
Osnovne faze u procesu proizvodnje etanola su: priprema sirovine, fermentacija i
destilacija etanola.
Priprema sirovine je zapravo hidroliza molekula škroba enzimima u šećer koji može
fermentirati. Uobičajena tehnologija za proizvodnju etanola je fermentacija u peći s
običnim kvascem za proizvodnju 8 do 10%-tnog alkohola nakon 24 do 72 h
fermentacije. Nakon toga slijedi destilacija tog alkohola u nekoliko faza čime se
dobiva 95%-tni etanol. Za proizvodnju posve čistog etanola, kakav se koristi za
miješanje s benzinom, dodaje se benzen i nastavlja destilacija te se dobiva 99,8%-tni
etanol [29].
Etanol se može proizvoditi od tri osnovne vrste biomase: šećera (od šećerne trske,
melase), škroba (od kukuruza) i celuloze (od drva, poljoprivrednih ostataka). Sirovine
bogate šećerima vrlo su pogodne za proizvodnju etanola, budući da već sadržavaju
jednostavne šećere glukozu i fruktozu koji mogu fermentirati izravno u etanol.
Sirovine bogate škrobom sadržavaju velike molekule ugljikovodika koje treba razložiti
na jednostavne šećere procesom saharifikacije. To zahtijeva još jednu fazu u
procesu proizvodnje što povećava troškove. Ugljikovodici u sirovinama bogatim
celulozom sastavljeni su od još većih molekula i trebaju se konvertirati u šećere koji
mogu fermentirati kiselom ili enzimatskom hidrolizom. Najznačajnije biljne vrste koje
se uzgajaju za proizvodnju etanola su šećerna trska, slatki sirak, cassava i kukuruz
[29].
2.1.5 Biodizel
Biodizel je komercijalni naziv pod kojim se metil-ester, bez dodanog mineralnog
dizelskog goriva, nalazi na tržištu tekućih goriva i prodaje krajnim korisnicima.
Standardizirano je tekuće nemineralno gorivo, neotrovan, biorazgradivi nadomjestak
za mineralno gorivo, a može se proizvoditi iz biljnih ulja, recikliranog otpadnog
jestivog ulja ili životinjske masti procesom esterifikacije, pri čemu kao sporedni
proizvod nastaje glicerol [28].
Metil-ester je kemijski spoj dobiven reakcijom (esterifikacija) biljnog ulja (uljana
repica, suncokret, soja, palma, ricinus itd.) ili životinjske masti s metanolom u
prisutnosti katalizatora.
Izbor osnovne sirovine za dobijanje biodizela zavisi od specifičnih uslova i prilika u
konkretnim zemljama, u Europi se za proizvodnju biodizela najviše koristi ulje uljane
11
repice (82,8%) i ulje suncokreta (12,5%), dok se u Americi najviše koristi ulje soje, a
u azijskim zemljama se koristi i palmino ulje [28].
2.1.6 Energija otpada
Ubrzani razvitak industrije, a osobito potrošački organizirano društvo, uzrokovali su
globalnu "ekološku" krizu, koja se u razvijenim državama očituje poglavito kao
problem zbrinjavanja otpada. Nekontrolirano i neodgovorno odložen otpad ugrožava
zdravlje ljudi i okoliš, a brojni su primjeri u kojima je dokazano oštećenje zdravlja ljudi
zbog neodgovornog postupanja s otpadom. Svjetska iskustva pokazuju da je
problem otpada moguće riješiti samo cjelovitim sustavom gospodarenja.
Primarni cilj je zbrinjavanje gradskog otpada, a tek potom proizvodnja energije
(iskorištavajući «zeleni dio» recikliranog kućnog otpada, biomasu iz parkova i vrtova,
mulj iz kolektora otpadnih voda) jer su za to potrebni veliki investicijski troškovi (oko
US$ 4000/kW).
2.1.7 Termička obrada otpada
Korištenje energije otpada za grijanje i/ili proizvodnju električne energije jedan je od
načina za učinkovitu uporabu otpada uz, ukoliko se provodi ispravno, minimalan
utjecaj na okoliš. Postupci termičke obrade otpada, poglavito u urbaniziranim - gusto
naseljenim sredinama, omogućuju istovremeno neutraliziranje štetnih svojstava i
njegovo energetsko iskorištavanje. Postoje različite tehničke mogućnosti termičke
obrade otpada, od kojih je sagorijevanje otpada dosad najviše korišteno. Oko
potrebe i mogućnosti primjene izgaranja komunalnog otpada u Hrvatskoj i svijetu
provedene su brojne rasprave.
U svijetu stalno raste broj postrojenja za termičku obradu otpada izgaranjem i ta se
tehnologija najviše koristi upravo u razvijenim državama. Mogućnost kogeneracije
energije otpada, u okvirima cjelovitog sustava gospodarenja energijom, obuhvaća
vrednovanje deponijskog plina kod uređenih suvremenih deponija, bioplina kod
takozvane anaerobne hladne obrade otpada i termičku obradu otpada pomoću
različitih postupaka otplinjavanja, rasplinjavanja, sagorijevanja i različitih kombinacija
tih postupaka. Proizvodnja energije iz otpada u svijetu nije rijetkost. Tako se danas u
Švedskoj otpad energetski iskorištava u 21-om postrojenju za spaljivanje, čime se
godišnje zbrinjava 1,7milijuna tona otpada (oko polovice ukupne količine komunalnog
otpada) [33].
2.1.8 Deponijski plin
Osim navedenog načina termičke obrade otpada, moguće je proizvoditi i bioplin iz
deponijskog otpada na suvremenim uređenim deponijama procesom takozvane
anaerobne hladne obrade otpada. U industrijskim zemljama nastaje 300-400 kg
smeća godišnje po osobi.
Deponijski plin nastaje razgradnjom organskih supstanci pod utjecajem
mikroorganizama u anaerobnim uvjetima. U središtu deponije nastaje nadpritisak, pa
deponijski plin prelazi u plinske sonde sabirnog sustava. Prosječan sastav
deponijskog plina je 35-60 % metana, 37-50 % ugljen-dioksida i u manjim količinama
12
se mogu naći ugljen-monoksid, dušik, vodik-sulfid, fluor, klor, aromatični ugljikovodici
i drugi plinovi u tragovima. Ovaj koncept podrazumijeva postavljanje vertikalnih
perforiranih cijevi u tijelo deponije (bunari, trnovi, sonde) i njihovo horizontalno
povezivanje. U kompresoru deponijski plin se isisava, suši i usmjerava ka plinskom
motoru. Iz sigurnosnih razloga preporučuje se ugradnja visokotemperaturne baklje
koja preuzima viškove plina.
Deponijski plin sa prosječnim sadržajem metana od 50 % ima donju ogrjevnu
vrijednost Hd=5 kWh/Nm3, što ga čini dobrim gorivom za pogon plinskih motora
specijalno razvijenih za ovu namjenu. Plinski motor pokreće generator za proizvodnju
električne energije. Putem izmjenjivača topline, dobije se toplinska energija iz vode
koja hladi motor i ulje za podmazivanje, kao i iz ispušnih plinova. Kod kombinirane
upotrebe električne i toplinske energije postiže se visok stupanj korisnosti ovih
uređaja ( el = 40%,  term = 43%). Ovo znači da se iz 1 Nm3 deponijskog plina (uz Hd
= 5kWh/Nm3) dobije 2 kWh električne energije i 2,15 kWh toplinske energije.
Dobivena električna energija koristi se za vlastite potrebe ili se predaje u električnu
mrežu. Proizvedena toplina koristi se na deponiji za proizvodnju tople vode, u
staklenicima i plastenicima za proizvodnju ranog povrća i cvijeća, u industrijskim
pogonima u blizini deponije, ili za grijanje stambenih zgrada kao i kod drugih
potrošača toplinske energije [33].
2.2
Procesi i tehnologije proizvodnje električne energije iz biomase
Osnovni procesi za proizvodnju električne energije iz biomase su [17]:
a) Istovremeno spaljivanje (co-firing) ugljena i drvne biomase, u modernim
elektranama na ugljen trenutno je energetski najučinkovitiji proces (i do 45%):
b) Kogeneracija – istovremena proizvodnja toplinske i električne energije.
c) Integrirano rasplinjavanje biomase u elektranama s plinskim turbinama. Još
uvijek nije komercijalno isplativo, osim za integrirani plinski kombinirani ciklus.
d) Anaerobna digestija u proizvodnji bioplina se razvije uglavnom u malim
otočnim (“off-grid”) primjenama. U HR zbog poticaja - kao male kogeneracije
na mreži.
e) Biorafinerije – potencijali razvoja kombinirane
biokemikalija, električne energije i biogoriva.
isplative
proizvodnje
2.2.1 Istovremeno spaljivanje (co-firing) ugljena i drvne biomase
Postoje tri načina istovremenog spaljivanja ugljena i drvne biomase. To su:
 Izravno (u istom kotlu/ložištu) – Najjeftinije i najčešće izvedbe.
 Neizravno (prethodno isplinjavanje biomase i izmjena topline).

Paralelno (usporedno u odvojenim kotlovima/ložištima)
13
a)
b)
c)
Slika 6. Istovremeno spaljivanje (co-firing) ugljena i drvne biomase: izravno (a),
neizravno (b) i paralelno (c) [17]
2.2.2 Kogeneracija [18]
Radi povećanja stupnja djelovanja koristi se kogeneracija – istovremena proizvodnja
toplinske i električne energije, pri čemu je potreban potrošač topline (npr. šumarska
industrija). Male kogeneracijske elektrane su višenamjenski objekti, koji iz fosilnih
goriva i biomase postupkom kogeneracije proizvode električnu i toplinsku energiju, a
u određenim slučajevima proizvodi se i hladna voda za potrebe hlađenja. Goriva za
pogon malih kogeneracijskih elektrana su plinovita, tekuća i kruta. Odgovarajuće
toplinske snage ovise o vrsti energetskog agregata i kreću se u rasponu 20-20000
kW e.
Osnovna prednost malih kogeneracijskih elektrana u odnosu na odvojenu
proizvodnju električne i toplinske energije je smanjenje troškova goriva za
proizvodnju navedene energije, a time i smanjenje zagađenja okoliša. Pri odvojenoj
proizvodnji električne i toplinske energije moguće je postići ukupan stupanj djelovanja
do 50 % (veliki gubici pri odvojenoj proizvodnji električne energije). U
kogeneracijskim postrojenjima taj ukupan stupanj djelovanja raste i do 80 %.
Pored prednosti kogenerativne proizvodnje energije, korištenjem malih
kogeneracijskih elektrana (što je osobito čest slučaj kod biomase) otpada prijenos na
veće udaljenosti, jer se toplina i struja proizvode okolišno prihvatljivo u težištima
potrošnje. Toplina se predaje izravno u objektu ili u obližnju toplinsku mrežu.
Električna energija se također koristi u objektu, a višak se isporučuje u postojeću
lokalnu niskonaponsku, ili srednjenaponsku mrežu.
Prednost malih kogeneracijskih elektrana je i u modularnoj izvedbi, pa se veličina
malih kogeneracijskih objekata može prilagoditi porastu potrošnje električne i
toplinske energije stupnjevitom izgradnjom odnosno dodatnim modulima. Postojeće
toplane i rezervni električni agregati mogu se dograditi, odnosno rekonstruirati u male
kogeneracijske elektrane. U prednosti malih kogeneracijskih elektrana mogu se još
ubrojiti relativno mala dodatna ulaganja isplativa za nekoliko godina, lokacija je
redovito u okviru industrijskog ili javnog objekta što olakšava ishođenje dozvola i
kratak rok izgradnje, te kratak rok izgradnje zbog modulne izvedbe.
Međutim, kogeneracija nije isplativa u svim uvjetima. Ona je isplativa za
odgovarajuću kombinaciju potrošnje električne i toplinske energije. Kako je višak
električne energije u svakom trenutku moguće prodati elektroenergetskom sustavu
do snage 5 MW e, onda je zapravo toplinsko opterećenje determinirajuće za
isplativost malih kogeneracijskih elektrana. Ako toplinsko opterećenje traje više od
3000 - 5000 sati godišnje za očekivati je isplativost kogeneracije.
14
Plinskoturbinska kogeneracija
Plinskoturbinska kogeneracija zasniva se na plinskim turbinama otvorenog ciklusa,
koje u sprezi s generatorom proizvode električnu energiju. Na slici 7 prikazana je
shema plinskoturbinske kogeneracije [5].
Slika 7. Plinskoturbinska kogeneracija [18]
Plinska turbina primjenjuje se kod koncipiranja malih kogeneracijskih elektrana
najčešće za veće snage, iznad 1 MWe. Plinske turbine odlikuju se: velikom
učinkovitošću, malo zagađenje okoliša, velika pouzdanost, niska cijena izgradnje,
potreban mali prostor, mogućnost modulne izvedbe, kratko vrijeme do pune snage. U
tablici 3.4. prikazane su značajke plinskoturbinskih agregata za kogeneraciju.
Termomotorna kogeneracija
Termomotorna kogeneracija zasnovana je na motorima s unutarnjim izgaranjem (otto
i dizel), koji u sprezi s generatorima proizvode električnu energiju, a korištenjem
otpadne topline ispušnih plinova i rashladne vode proizvode i toplinu u obliku vrele
vode i/ili pare. Na slici 8 prikazana je shema termomotorne kogeneracije.
Termomotori se primjenjuju u širokom rasponu snaga od 10 kW e do nekoliko MW e.
Temperaturna razina korisne topline za primjenu termomotora je do maksimalno
115°C, a najpovoljnije je oko 80°C. Pozitivne osobine kao na primjer: visoka
učinkovitost (do 50 %), velika pouzdanost, lako održavanje, mala težina i potrebni
prostor, paketna izvedba, dobro ponašanje kod djelomičnih opterećenja, te kratko
vrijeme do pune snage, dovele su do brzog prodora termomotora u područje
kogeneracije.
Termomotori za male kogeneracijske elektrane se pojavljuju u dvije osnovne izvedbe:
plinski motori i dizel motori. Plinski motori najčešće se primjenjuju za manje jedinice,
a koriste sve vrste plinovitih goriva od prirodnog plina do raznih vrsta bioplina. U
malim kogeneracijskim elektranama se primjenjuju dvije vrste plinskih motora:
modificirani automotori i industrijski plinski motori.
15
Slika 8. Termomotorna kogeneracija [18]
Parnoturbinska kogeneracija
Parnoturbinska kogeneracija zasniva se na protutlačnim ili kondenzacijskooduzimnim parnim turbinama, koje u sprezi s električnim generatorom proizvode
toplinsku i električnu energiju. Za proizvodnju toplinske energije koristi se toplina od
kondenzacije pare, koja bi se inače morala odvesti rashladnom vodom. Na slici 9 je
prikazana parnoturbinska kogeneracija.
Slika 9. Parnoturbinska kogeneracija [18]
16
3
3.1
VJETROELEKTRANE
Energija vjetra
Sva obnovljiva energija dolazi od sunca. Sunce prema Zemlji zrači 1015 kWh po
četvornome metru. Oko 1 do 2 posto energije koja dolazi od sunca pretvara se u
energiju vjetra. To je primjerice od 50 do 100 puta više od energije pretvorene u
biomasu od svih biljaka na Zemlji. Zbog zemljine rotacije, svaka kretnja na sjevernoj
polutki je usmjerena prema desno. Ta pojava iskrivljena sile je poznata kao
Coriolisova sila. Na sjevernoj polutki vjetar ima smjer rotacije obrnutu smjeru kazaljke
na satu kako se približava području niskog tlaka. Na južnoj polutki vjetar ima smjer
rotacije u smjeru kazaljke na satu oko područja niskog tlaka. Vjetro-turbina dobiva
ulaznu snagu pretvaranjem sile vjetra u okretnu silu koja djeluje na elise rotora.
Količina energije koju vjetar prenosi na rotor ovisi o površini kruga koji čini rotor u
vrtnji, brzini vjetra i gustoći zraka. Pri normalnom atmosferskom tlaku pri temperaturi
od 15°C zrak teži otprilike 1.225 kg/m3, ali se povećanjem vlažnosti i gustoća
povećava. Također vrijedi da je zrak gušći kada je hladniji nego kad je topliji. Na
visokim nadmorskim visinama tlak zraka je niži, pa je zrak rjeđi. Vjetroturbina
iskrivljuje putanju vjetra i prije nego što vjetar dođe do elisa rotora. To znači da se ne
može iskoristiti sva energiju iz vjetra.
3.1.1 Snaga i energija vjetra i vjetroelektrane
Slika 10. Vjetroelektrana [8]
Energija vjetra je kinetička energija ovisna o kvadratu brzine vjetra [19]:
1 2
mv
2
Maksimalna teorijska energija vjetra računa se nadalje kao [19]:
W
1
1
1
W  mv 2  Vv 2  Av3  0,625 Av3
2
2
2
(1)
(2)
17
Gdje je:

ρ – gustoća zraka (približno 1,25 kg/m3)

A – površina rotora vjetroelektrane (volumen V = A·v)

v – brzina vjetra
Dakle, maksimalna teorijska energija vjetra ovisi o brzini vjetra na treću potenciju.
Ukupna kinetička energija zraka ne može se sva iskoristiti, jer zrak mora dalje strujati
da bi načinio mjesta onome koji dolazi, pa je moguće iskoristiti samo energiju koja je
proporcionalna razlici brzina vjetra na treću:
W  0,625  A  (v1  v2 )3
(3)
Maksimalnu snaga koja se može dobiti pogonom pomoću vjetroturbine iz
konstrukcijskih razlogaiznosi 16/27 odnosno 0,59259 od teoretske maksimalne
moguće snage vjetra. Uzmemo li u obzir i maksimalni stupanj djelovanja zračne
turbine je 0.65, te stupanj djelovanja generatora 0.8, za maksimalnu energiju
vjetroelektrane vrijedi:
W  16 / 27  0,65  0,8  0,625  A  v 3
(4)
W  0,193  A  v 3
Teorijski dakle, iskoristi se samo 31% (0,193/0,625) kinetičke energije vjetra za
proizvodnju električne energije u vjetroelektranama [19].
Često se za proračun energije umjesto površine uvrštava promjer (D) turbine:
W  0,152 D2  v3 103
(5)
S obzirom na gornja razmatranja poznavanje brzine vjetra ima osnovnu važnost za
ocjenu mogućnosti iskorištavanja vjetra u energetske svrhe. Brzina vjetra je jako
promjenjiva, pa je stoga potrebno mjeriti brzinu vjetra kako bi se mogle odrediti
krivulje frekvencija (statistika vjetra). Budući da je snaga vjetra, pa tako i snaga
vjetroelektrane, ovisna o trećoj potenciji brzine vjetra stoga čak i mala promjena
brzine vjetra može biti značajna. Također s porastom visine raste i brzina vjetra.
Zbog toga se vjetroturbine postavljaju na visoke stupove. Izraz koji se često koristi za
opisivanje promjene brzine vjetra s promjenom visine je [8]:

H 
v  vo 

 H0 
(6)
Gdje je:
 v – brzina vjetra [m/s] na visini H [m]
 v0 – referentna brzina vjetra [m/s] na visini H0 (najčešće je to visina od 10 m)
 α – koeficijent trenja koji ovisi o površini terena na kojoj se mjeri brzina vjetra.
Osim izraza (6) koji se češće koristi u SAD-u, postoji i izraz koji se češće koristi u
Europi [2].
18
v  vo
ln  H z 
(7)
ln  H 0 z 
Gdje je:
 z - duljina hrapavosti [m]
U tablici 3 su prikazane vrijednosti koeficijenta trenja za pojedine vrste terena.
Tablica 3. Vrijednosti koeficijenta trenja za pojedine vrste terena [2]
Karakteristika terena
Glatki ravni teren, mirna voda
Tereni visokom travom na ravnoj površini
Tereni s visokim usjevima, živicama i grmljem
Pošumljeni krajolici s gustim drvećem
Mali gradovi s drvećem i grmljem
Veliki gradovi s visokim zgradama
Koeficijent trenja α
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,40
U tablici 4 su prikazane vrijednosti duljine hrapavosti za pojedine vrste terena.
Tablica 4. Vrijednosti duljine hrapavosti za pojedine vrste terena [2]
Razred
hrapavosti
0
1
2
3
4
Opis terena
Vodne površine
Otvorene površine sa samo nekoliko manjih prepreka
Poljoprivredna zemljišta s preprekama udaljenim minimalno 1
km.
Urbana područja i poljoprivredna zemljišta s puno prepreka
Gusta urbana ili šumovita područja
Duljina hrapavosti
z (m)
0,0002
0,03
0,1
0,4
0,6
3.1.2 Razdiobe brzine vjetra
Za opisivanje brzine vjetra isprobane su brojne razdiobe, no samo su dvije u uporabi
za opis brzine vjetra. To su Weibullova i Rayleighova razdioba. Ove razdiobe daju
slabiju procjenu na snage za manje srednje brzine vjetra. Pri većim brzinama vjetra
ove dvije razdiobe daju zadovoljavajuću procjenu brzine vjetra. Rayleighova razdioba
je jednostavnija jer ovisi samo o jednom parametru tj. o srednjoj brzini.
Rayleighova razdioba je predstavljena izrazom (8):
   v 2 
 v
F  v   c
exp     
2 va
 4  va  
(8)
Gdje je:
 F(v) – učestalost pojave povezane sa svakom brzinom vjetra
 v – srednja brzina razreda Δv
19
 Δv – širina razreda ili bin-a
 va – prosječna (srednja) brzina vjetra
Weibullovom funkcijom najbolje se aproksimiraju prikupljeni podatci. Funkcija daje
vjerojatnost pojave pojedinih brzina vjetra tijekom nekog perioda. Weibullova
razdioba je opisana s dva parametra, parametrom oblika k i parametrom mjere c.
Parametar k je bezdimenzionalna veličina dok parametar mjere c ima jedinicu [m/s].
Weibullova razdioba je predstavljena izrazom (9):
kv
F  v   v  
cc
k 1
  v k 
exp     
  c  
(9)
Slika 11. Weibull-ova i Rayleigh-ova razdioba
20
3.2
Krivulja snage vjetroelektrane
Graf koji prikazuje ovisnost izlazne snage vjetroelektrane o brzini vjetra naziva se
krivulja snage. Vjetroelektrane se uključuju pri brzinama vjetra od oko 3 do 5 [m/s] i ta
brzina se naziva brzina uključenja vjetra. Brzina isključenja vjetroelektrane je oko 25
[m/s].
Krivulja snage za VT Vestas V90 – 3,0MW
3000
2800
2600
2400
2200
2000
Izlazna snaga [kW]
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0 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
Brzina vjetra [m/s]
Slika 12. Ovisnost snage vjetrogeneratora o brzini vjetra [20]
S promjenom brzine vjetra mijenja se i obujam energije vjetra. Koliko se energije
vjetra pretvori u električnu energiju govori nam koeficijent snage. Efikasnost turbina je
malo veća od 20%, ali ipak se ona mijenja s promjenom brzine vjetra. Energija vjetra
odgovara trećoj potenciji brzine vjetra.
3.3
Podjela vjetroelektrana i dijelovi vjetroelektrana
3.3.1 Podjela vjetroelektrana
Općenito postoje dva tipa vjetroelektrana, odnosno može ih se podijeliti prema
položaju osi vrtnje, a to su vjetroelektrane s okomitim i vodoravnim smjerom vrtnje.
21
Obično vjetroelektrane imaju vodoravno postavljenu os vrtnje i zbog toga se nazivaju
vjetroelektrana s vodoravnim osi ili VSHO (eng. HAWT). Vjetroelektrane s okomitom
rotorom manje su poznate i rjeđe se koriste i nazivaju se vjetroelektrane s okomitom
osi vrtnje ili VSVO (eng. VAWT). Na slici 13. prikazane su vjetroelektrana s okomitom
i vjetroelektrana s vodoravnom osi.
Vjetroelektrane s okomitim rotorom se rjeđe koriste. Većina vjetroturbina sa
vodoravnom osovinom koriste mehanizam koji pomoću elektromotora i prijenosa drži
turbinu zakrenutu prema smjeru dolaska vjetra. Tornjevi za velike turbine mogu biti
okrugli čelični, rešetkasti, ili betonski. Uski okrugli tornjevi se koriste za male zračne
turbine. Velike zračne turbine se izvode sa okruglim čeličnim tornjevima, koji se
proizvode u dijelovima od 20 – 30 metara koji se spajaju na mjestu postavljanja
turbine. Promjer tornja se povećava prema temelju, da bi povećali čvrstoću i uštedili
na materijalu. Rešetkasti tornjevi se izvode varenjem čeličnih profila. Osnovna
prednost ovih tornjeva je u cijeni, pošto se koristi upola manje materijala a postiže se
ista čvrstoća.
Slika 13. Vjetroelektrane s vodoravnim i okomitim osovinama [11]
S obzirom na mjesto postavljanja vjetroelektrane se dijele na one koje se postavljaju
na kopnu i one na morskoj pučini. S obzirom na snagu uobičajena je podjela na
male (1 do 30 kW), srednje i velike (30 do 1500 kW), te one ne pučini (>1500 kW)
Male se koriste obično na dalekim izoliranim mjestima, pri čemu postoji velika
raznolikost rješenje. Vjetroelektrane srednje i velike snage obično rade na mreži, kao
samostalne ili u grupi (vjetroparkovi). One instalirane snage veće od 650 kW danas
su su komercijalne i proizvode se u velikim serijama. Vjetroelektrane na pučini mogu
imati instaliranu snagu i do nekoliko stotina MW, trenutno su u razvoju, a glavna
zapreka je velika cijena postolja.
22
3.3.2 Osnovni dijelovi vjetroelektrana
Osnovni dijelovi vjetroelektrane prikazani su na slici 14.
Slika 14. Osnovni djelovi vjetroelektrane [6]
1. Vitlo
2. Spona za vitlo
3. Lopatice ili elise
4. Navoj za regulaciju kuta zakreta lopatice (pitch regulacija)
5. Glava rotora
6. Glavni navoj
7. Glavna osovina
8. Mjenjačka kutija
9. Diskovi kočnice
10.Spojke
11.Servisna dizalica
12.Generator
23
13.Meteorološki senzori
14.Ležaj za zakretanje turbine
15.Prsten za zakretanje turbine
16.Toranj
17.Nosiva platforma kućišta
18.Krovna platforma
19.Uljni filter
20.Ventilator generatora
21.Hladnjak ulja
3.4
Generatori u vjetroelektranama
Budući da vjetar predstavlja izrazito promjenjivi energetski resurs koji se ne može
uskladištiti, potrebno je utvrditi uvjete pogona sustava za pretvorbu energije vjetra u
električnu energiju. Općenita shema djelovanja vjetroelektrane prikazana na slici 15
obuhvaća elemente koji se projektiraju obzirom na tri oblika energije: energiju vjetra,
mehaničku energiju te električnu energiju.
Vjetroturbina koja može imati jednu ili više elisa, služi za transformaciju energije
vjetra u mehaničku energiju. Ako se u obzir uzmu razina buke i vizualni efekt,
izvedba s tri elise predstavlja najčešće rješenje. Pored toga, dinamikom rotora s tri
kraka je najlakše upravljati. Inercijski moment trokrakog rotora prema tornju ne
mijenja se tijekom okretanja. To rezultira manjim problemima uslijed oscilacija nego
kod jednokrakih i dvokrakih rotora. Uz to je i optički mirniji zbog okretanja na manjoj
brzini. Oko 90% vjetroturbina koje se trenutno koriste u svijetu imaju trokraki rotor.
Spoj između vjetroturbine i električnog generatora ostvaren je pomoću mehaničke
spojke koja uobičajeno u sebi uključuje mjenjačku kutiju s prijenosnikom pomoću
kojeg se niža brzina vrtnje rotora vjetroturbine prilagođava višoj brzini vrtnje rotora
generatora. Da bi se kinetička energija rotora uz pomoć generatora pretvorila u
električnu, bila bi potrebna brzina rotora od 1 500 okretaja u minuti (rpm). Budući da
se rotor okreće brzinom od 30-50 rpm, potrebna je upotreba prijenosnika. S
prijenosnikom se pretvara spora rotirajuća sila (visokog okretnog momenta) u brzu
rotaciju (niskog okretnog momenta) koja je potrebna za rad generatora. Postotak
iskoristivosti energije je 98%, a gubitak energije koji nastaje uslijed trenja zupčanika
prijenosnika manifestira se u obliku topline i buke.
24
Slika 15. Shema djelovanja vjetroelektrane [7]
3.4.1 Izbor generatora za vjetroelektranu
U vjetroelektranama se uobičajeno koriste dvije vrste generator, a to su sinkroni ili
asinkroni generatori. Ovisno o priključku na mrežu razlikujemo vjetroelektrane s
stalnom brzinom vrtnje koje su izravno priključene na mrežu i vjetroelektrane s
promjenjivom brzinom vrtnje.
a) Vjetroelektrane s stalnom brzinom vrtnje
U koliko je vjetroelektrana priključena na krutu mrežu (opisuje je velika naponska i
frekvencijska krutost) onda se najčešće koriste asinkroni generatori. Njihova glavna
prednost je u jednostavnoj i jeftinijo konstrukciji, dok ima je nedostatak taj što moraju
imati kompenzacijske uređaje (kondezatorske baterije) i priključni uređaj (eng. softstarter) kako bi se omogućila početna sinkronizacija s mrežom.
Sinkroni generatori se najčešće koriste kod otočnog pogona. Ovim generatorima
potreban je uzbudni sustav i regulator brzine koji će održati napon i frekvenciju
konstantnim. Kod vjetroelektrana nazivnih snaga većih od 500 kW treba imati sustav
za regulaciju zakretanja elisa propelera, pa se spomenuti sustav ne izvodi u svim
jedinicama. Ovdje su potrebni uzbudni sustav i regulator brzine koji će održavati
napon i frekvenciju. Ovakvi generatori ne mogu se pronaći u komercijalnim
izvedbama sa stalnom brzinom u pogonu na krutu mrežu.
b) Vjetroelektrane s promjenjivom brzinom vrtnje
Ovaj tip vjetroelektrana u koliko se spaja na mrežu zahtjeva stalnu frekvenciju pa su
zbog toga potrebni pretvornici frekvencije. Stoga razlikujemo više izvedbi
vjetroelektrana s promjenjivom brzinom vrtnje a to su:
 Sinkroni generator s pretvaračem u glavnom strujnom krugu
 Asinkroni generator s pretvaračem u glavnom strujnom krugu
25
 Asinkroni generator s upravljivim promjenjivim klizanjem
 Asinkroni generator s nadsinkronom ili podsinkronom pretvaračkom kaskadom
3.4.2 Način priključenja vjetroelektrana na mrežu
Tablica 5. Način priključenja vjetroelektrana na mrežu [7]
ASINKRONI GENERATOR
Izravno priključenje na mrežu
n
(1  s ) f
p
s=0...0,08
SINKRONI GENERATOR
Izravno priključenje na mrežu
n
f
p
Potrošač induktivne jalove snage
Upravljiva izlazna jalova snaga
Mrežni priključak putem DC veze
Mrežni priključak putem DC veze
s  0,8...1, 2
f
p
Upravljiva izlazna jalova
odgovarajući pretvarač
s  0, 5...1, 2
snaga
Dinamički upravljivo klizanje
n
(1  s ) f
p
s=0...0,1...0,3
Potrošač induktivne jalove snage
f
p
uz Upravljiva izlazna jalova
odgovarajući pretvarač
snaga
uz
Mrežni priključak putem DC veze, bez
mjenjačke kutije
s  0, 5...1, 2
f
p
Upravljiva izlazna jalova
odgovarajući pretvarač
snaga
uz
26
Asinkroni generator
napajanjem
s
dvostranim Sinkroni generator s permanentim
magnetima priključen putem DC veze
s  0, 5...1, 2
f
p
Upravljiva izlazna jalova
odgovarajući pretvarač
3.5
snaga
uz
Kriteriji priključenja vjetroelektrane na mrežu
Priključenje vjetroelektrana na elektroenergetsku mrežu je značajan problem obzirom
na to da vjetroelektrane mogu bitno utjecati na stabilnost sustava i kvalitetu električne
energije u mreži. Kriteriji priključenja se definiraju u obliku Mrežnih pravila za
vjetroelektrane (eng. wind grid codes). Iako se Mrežna pravila ne izrađuju na način
da isključe ili diskriminiraju određenu vrstu generatora, njihove su odredbe obično
definirane imajući u vidu konvencionalne termoelektrane i hidroelektrane.
Vjetroturbinski generatori se znatno razlikuju od sinkronih generatora zbog čega se
uobičajeno izrađuju dvije vrste Mrežnih pravila za vjetroelektrane; jedna se vrsta
odnosi na njihovo priključenje na prijenosni sustav (nazivni napon ≥ 110 kV), a druga
na distribucijski sustav (nazivni napon ≤ 35 kV).
Postoji mnogo tehničkih kriterija priključenja vjetroelektrana na mrežu koji se uzimaju
u obzir zbog što kvalitetnije integracije vjetroelektrana u elektroenergetski sustav, kao
što su:





Iznos frekvencije,
Iznos napona,
Stanje u uvjetima kvara,
Kvaliteta isporučene električne energije i
Zahtjevi obzirom na signale, komunikacije i upravljanje.
Ovih pet glavnih kriterija se smatra ključnim područjima za ispravan pogon i vođenje
vjetroelektrana u pripadajućem elektroenergetskom sustavu. Detaljnije o uvjetima
priključka vjetroelektrana na mrežu može se naći u [21].
27
4
MALE HIDROELEKTRANE
4.1
Energija vode
Energija položaja vode obnovljiva je zahvaljujući Sunčevoj energiji koja neprestano
održava hidrološki ciklus. Uobičajeno je različito vrednovanje velikih i malih
hidroelektrana kada je riječ o utjecaju na okoliš. Premda sveobuhvatna istraživanja
nisu dostupna uvriježen je pogled da se korištenje energije položaja vode u malim
postrojenjima smatra ekološki prihvatljivijim. No, i za velika postrojenja se smatra da
je njihov višestruki negativni utjecaj na okoliš nadomještava doprinos smanjenju
emisije stakleničkog plina CO2.
Osnovna razmatranja vezana za snagu i energiju HE se ne mijenjaju s veličinom
postrojenja. Snaga i energija koju nosi sa sobom promjena položaja vodene mase
može se izraziti preko Bernoullijeve jednadžbe za jednodimenzionalno stacionarno
strujanje bez vrtloženja uključujući trenje preko iznosa gubitaka. Često se u
hidromehanici koristi Bernoullijev izraz u kome su svi elementi izraženi preko visina
[2] :
p
c2
 h 
 hr  konst.
g
2g
m
(10)
Gdje je:

p
- visina tlaka
g
 h – geodetska visina

c2
- visina brzine
2g
 hr – visina gubitaka
Praktično je sve gubitke prikazati kroz gubitke visine ili stupanj djelovanja. Energija
vode ovisi o promjeni položaja i o djelotvornosti pretvorbe. Posebno je zanimljiv izraz
za energiju (i snagu) koji sadrži protok vode. Izraz 11 prikazuje energiju promjene
položaja vode iz kojeg se može odrediti raspoloživa snaga u funkciji protoka i neto
pada (visine, izraz 12) [2].
W  mgh 

t
0
Av  ghdt
(11)
dW
 Avgh  Q  Av  Qgh
(12)
dt
Znamo li stupanj djelovanja za neku HE pri određenom protoku i neto visini možemo
izračunati njenu snagu [2]:
P
P  g u Qh  9,81 u Qh
[kW ]
(13)
28
Važno je naglasiti ovisnost neto visine o protoku obzirom na profil ispred i iza zahvata
HE te ovisno o biološkom minimumu i preljevu. Slika 16 ilustrira krivulju trajanja
snage HE u ovisnosti o protoku kroz postrojenje, padu i ukupnom protoku. Slika
uključuje i ovisnost stupnja djelovanja o protoku koji određuje produkt stupnjeva
djelovanja vezanih za gubitke na zahvatu, dovodu i odvodu, te za gubitke u turbini.
Najznačajniji gubitci u turbini ovise o vrsti turbine i to je u nastavku dodatno opisano.
Snagu HE, kod pojedinog protoka, moguće je stoga precizno odrediti samo ako se
poznaju navedene ovisnosti gubitaka o protoku. Računanje ukupne energije je prema
tome integral snage kroz određeno vremensko razdoblje:
W  9,81 Qhdt
t
0
(14)
Kod proračuna ukupne energije mogu se postavljati različita pojednostavljenja, kod
kojih treba uzeti u obzir da je HE uvijek dimenzionirana za neku nazivnu snagu
odnosno da ima instalirani određeni protok (točka nazivnih parametara u ilustraciji
dolje). Računanje snage i energije HE sa protokom koji premašuje instaliranu
vrijednost daje krive rezultate.
Slika 16. Ilustracija krivulje trajanja snage u ovisnosti o protoku kroz postrojenje,
padu i ukupnom protoku [11]
4.2
Turbina i generator male HE
Turbina i generator predstavljaju dvije najvažnije aktivne komponente HE. Principi
djelovanja i izbor turbine i generatora slični su kao i za velike HE. Značajna je razlika
u tom što se za MHE turbine i generatori ne proizvode posebno za svaku izvedbu. Za
MHE postoji veliki izbor gotovih vrsta i veličina turbina i generatora.
29
4.2.1 Turbina
Voda u pokretu prolaskom kroz turbinu prenosi mehaničku energiju na osovinu.
Ovisno o uvjetima koji vladaju oko lopatica turbine postoji veliki broj različitih izvedbi
da bi se postigla efikasnija pretvorba energije. Najpoznatije turbine kod velikih
postrojenja su Pelton, Francis i Kaplan. Za mala postrojenja postoji veliki broj
dodatnih izvedbi od kojih je poznatija Michel-Banki (s poprečnim tokom). Turbine za
MHE se rade serijski, a postoje i primjene s pumpama zbog ekonomičnosti.
Razlika turbina u principu djelovanja odražava se na optimalni raspon protoka i
padova za stupanj djelovanja. Slika 17 prikazuje područje primjene različitih vrsta
turbina prema protoku i padu. Uočljivo je da poznate vrste turbina pokrivaju područje
primjene za velika i mala postrojenja. Turbine s poprečnim protokom i Turgo
pokrivaju područje padova i protoka za male HE (isto vrijedi i za veliki broj različitih
vrsta turbina koje nisu prikazane na slici).
Slika 17. Područje primjene različitih vrsta turbina – prema protoku i padu [11]
Za velike padove najprimjerenija je Pelton turbina (kod MHE od 20 m). Kod srednje
velikih padova primjerena je Francis turbina (od 3 do 600 m). Na malim padovima i
za veće protoke najbolje je koristiti Kaplan turbinu (za vertikalnu izvedbu od 10 do 60
m, a za horizontalnu od 2 do 20 m). Turbina s poprečnim protokom (Michel-Banki) se
koristi kod padova od 1 do 200 m. Vidljivo je da se područja primjene uvelike
preklapaju te se odluka o izboru temelji na ekonomskim i drugim tehničkim
parametrima. Svaka turbina ima maksimalan stupanj djelovanja pri instaliranom
protoku (ili u blizini). Ovisno o vrsti turbine stupanj djelovanja se manje ili više
smanjuje sa smanjivanjem protoka vode. Slika 18 prikazuje promjenu stupnja
djelovanja za odabrane turbine. Vidljivo je da Kaplan i Pelton turbine imaju stupanj
djelovanja koji je dobar i stabilan u velikom rasponu protoka. Ovakva karakteristika
ima svoju cijenu.
30
Q/3
2Q/3
Q
Slika 18 Promjena stupnja djelovanja turbina u ovisnosti o protoku vode [11]
Brzina vrtnje turbine opčenito je ovisna najprije o izvedbi, a potom o padu i protoku
vode. Vezu između specifičnog broja okretaja ns jedinične modelne turbine i broja
okretaja turbine koja ima protok Q i pad H prikazuje izraz 15.
Q1 / 2
(15)
H 3/ 4
Za Pelton turbinu specifični broj okretaja ide do 30, Francis ima ns od 20 do 120, kod
Kaplan (vertikalne) to je od 180 do 260 i za Michel-Banki specifični broj okretaja ide
od 30 do 210.
ns  n
Michel-Banki turbina ima posebnu izvedbu dotoka i
lopatica da može raditi na trećini i na dvije trećine protoka
s karakteristikom efikasnosti kao da radi na nazivnom
protoku. Na slici 18 je to ilustrirano s Qo/3 i 2Qo/3
krivuljama efikasnosti. Time se za turbinu s poprečnim
protokom postiže optimalan stupanj djelovanja kroz cijeli
opseg protoka vode: voda ide preko cijele turbine kada je
protok veći od 2/3 nazivnoga, za protoke ispod trećine
nazivnog voda ide samo preko odvojenog dijela trećine
presjeka turbine i na kraju za protoke između voda se
usmjerava na drugi dvotrećinski dio presjeka turbine.
Pelton turbinu odlikuje rad sa slobodnim mlazom vode
(akcija energije položaja vode pretvorena u konetičku
energiju) pri približno atmosferskom tlaku. Kod izvedbi s
više mlazova situacija s tlakovima je nešto složenija.
Male Pelton turbine mogu raditi ekonomično već i s
protocima od 30 l/s uz pad od 20 m. Da bi se smanjilo
aksijalne sile kod većine modernijih izvedbi lopatice
D
a
31
turbine su oblikovane tako da razdvajaju mlaz. Za optimiranje efikasnosti i
osiguravanje slobodnog otjecanja vode nakon lopatica potrebno je osigurati
ispunjavanje Masonyieva kriterija da omjer promjera lopatica (D) bude 10 puta veći
od promjera mlaza (a).
Kod promjene opterećenja ili potrebe za naglim zaustavljanjem turbine potrebno je
zaustaviti ili preusmjeriti mlaz od lopatica. Promjena smjera mlaza vode je bolje
rješenje jer naglo zaustavljanje protoka može izazvati tzv. vodni udar. Ponekad se
primjenjuje i protumlaz kao vodna kočnica.
Francis turbina se može instalirati horizontalno ili vertikalno. Horizontalna izvedba
ima prednost zbog spajanja s generatorom. Vertikalna izvedba je skuplja jer
zahtijeva veći prostor, ima veću ukupnu masu postrojenja i
dodatno je složenija za održavanje. Francis turbina ima niz
nedostataka u odnosu na Pelton izvedbu: osjetljivija je na
problem kavitacije i na nečistoće u vodi; efikasnost značajno
opada kod manjeg protoka od nazivnog (ovisno o izvedbi
već kod 50% instaliranog protoka pada blizu 0,6); pogon nije
stabilan kod protoka manjeg od 40% instaliranoga; brzo
zatvaranje protoka izaziva veći vodni udar te je potrebno
bolje dimenzionirati dovodnu cijev; kompleksnija izvedba i
kontrola zahtijevju složeno održavanje. Prednost Francis
turbine u odnosu na Pelton je u iskorištavanju kompletnog pada.
Iskustveni podatci o brzini okretanja Francis turbine za padove od 10 do 50 m su
između 900 i 1200 min-1, a za veće padove i do 1500 min-1.
Kaplan turbina se koristi za male
padove ili za protočne HE. Prednost
Kaplan turbine prema drugim sličnim
izvedbama za male padove (npr. bulb,
propeler, S i Straflo) je u manjoj cijeni i
u pozicioniranju elektromehaničkog
dijela izvan vode (lakše održavanje i
sigurnije kod poplavljanja). Utjecaj na
okoliš izvedbi s Kaplan turbinom je
manji zbog nepostojanja akumulacije i
manjeg zauzimanja prostora. Ovisno o
protoku (reguliran ili varijabilan) postoje
izvedbe sa fiksnim i pomičnim krilcima
lopatica rotora (veća efikasnost).
Dvostruka regulacija osigurava dobar
stupanj djelovanja za veliki rasopn protoka (do 30% instaliranog protoka).
Michel-Banki turbina (crossflow – poprečna; s radialnim potiskom) za razliku od
ostalih ima primjenu samo kod MHE (do 0,8 MW). Kod primjene protoci se kreću
između 25 i 700 l/s. Rotor se dijeli na 26 do 30 pregrada ovisno o promjeru (od 0,2
do 0,6 m). Turbina se instalira sa slobodnim otjecanjem vode ili sa nastavkom
(difuzor) za korištenje cijelog pada. Posebnost podjele rotora na 1/3 i 2/3 za
efikasnije korištenje manjih protoka od nazivnoga je već prije spomenuta (slika na
prethodnim stranicama). Varijabilni kapacitet protoka osigurava rad i na 20%
32
instaliranog protoka. Ovo je važno za veliki broj potencijalnih lokacija za vrlo male
HE s jako promjenjivim protokom. Dodatna prednost Michel-Banki turbine je brzo
sastavljanje, manji zahtjevi na izvedbu postrojenja (građevinski radovi) i lagan pristup
svim dijelovima za održavanje.
Vodno kolo povezano je s najstarijim načinom korištenja energije položaja vode.
Zanimljivo je da i danas vodno kolo ima veliki broj prednosti
kod vrlo malih HE. Najprije vrlo je veliki broj lokacija koje
imaju relativno mali pad i umjerenu snagu (<5 m, do 75 kW).
Potom, vodno kolo predstavlja dobar kompromis između
proizvodnje i očuvanja okoliša.
Pogon je neometan
prljavštinama u vodi.
Tijekom rada se ostvaruje
samoregulacija momenta promjenom količine zahvaćene
količine vode.
Nedostatak vodnog kola je mala kutna brzina (do 8 min-1) koja zahtjeva multiplikator
brzine (prijenos ili remen) prema generatoru (~1:20) što izaziva dodatne gubitke.
Pokraj toga potreba za reguliranjem brzine komplicira veliku jednostavnost izvedbu.
Osnovne izvedbe vodnog kola su povezane s mjestom gdje se prihvaća voda. Kod
gornjeg prihvaćanja vode pad mora biti barem jednak promjeru kola. Snaga se
prema tome može izraziti korištenjem izraza (2.4). Stupanj djelovanja je oko 60%
(dostiže i do 80%), a pad određuje razlika visine vode ispred i iza vodnog kola. Slično
se razmatranje može provesti i za izvedbe s donjim prihvatom vode. Vodna kola se
mogi koristiti za izvedbe koje imaju pad do 10 m i protoke do 2 m3/s.
Vodne pumpe kao turbine za vrlo male HE dosta se često primjenjuju. Osnovni
razlog tome je u činjenici da su vrlo jeftine (masovna proizvodnja) i lako se nabavljaju
s velikim varijacijama karakteristika. Njihov nedostatak je u manjoj efikasnosti i većoj
osjetljivosti na kavitaciju i radni raspon. Glavni problem predstavlja nemogućnost
kontrole protoka. Primjena je stoga najjednostavnija s konstantnim protokom. Uvjete
promjenjivog protoka je moguće rješavati na različite načine, npr.: dodatna manja
pumpa, ili elektronska kontrola (tereta).
4.2.2 Generator
Rješenja MHE za samostalni rad moraju imati sinkroni generator što poskupljuje
izvedbu. Male HE koje su priključene na mrežu najčešće koriste jednostavni
asinkroni generator. Izvedbe vrlo malih snaga (ispod 100 kVA) se priključuju na
niskonaponsku mrežu (0,4 kV), a za veće snage se radi priključak na
srednjenaponsku mrežu (10/20 kV). Potrebno je osigurati faktor snage iznad 0,9.
Treba voditi računa o strujama kratkog spoja, prenaponskoj zaštiti, zaštiti od napona
dodira i ponovnom automatskom uključivanju. Sve izvedbe trebaju imati nadstrujnu,
podnaponsku i zaštitu od kratkog spoja. Za snage iznad 0,25 MVA treba dodati i
zaštite generatora od zemnog spoja i povratne snage (sinkroni generator).
Mjerenje el. en. (radne i jalove u oba smjera) i brojnih drugih veličina obvezno je i
potrebno za dobar i autonoman rad male HE.
33
4.3
Osnovni dijelovi mHE
Sustav (male) hidroelektrane se sastoji od svih objekata i dijelova koji služe za
skupljanje, dovođenje i odvođenje vode, za pretvaranje mehaničke u električnu
energiju, za transformaciju i razvod el energije. Razlikuju se sljedeći karakteristični
dijelovi (male) hidroelektrane:
 brana ili pregrada
 zahvat
 dovod
 vodna komora ili vodostan
 tlačni cjevovod
 strojarnica (turbina, generator...)
 odvod vode.
Prema tipu hidroelektrane mogu neki od ovih dijelova potpuno izostati, a u drugim
slučajevima može isti dio preuzeti više funkcija.
4.4
Izvedbe malih hidroelektrana
Razlikuju se sljedeće izvedbe mHE:
a) Niskotlačne mHE sa strojarnicom na dnu brane
Male hidroelektrane si ne mogu priuštiti gradnju velikih rezervoara ili akumulacija da
se koriste zalihama vode kada je to najpogodnije. Cijena izgradnje relativno velike
brane bi bila preskupa i ekonomski neisplativa. Ali ako je akumulacija već izgrađena
za druge svrhe, kao što su zaštita od poplave, navodnjavanje, prikupljanje vode za
velike gradove, rekreacijska područja i slično, moguće je proizvoditi električnu
energiju koristeći postojeći odvod ili prirodni tok rezervoara (akumulacije). Ako brana
već ima ispusni otvor moguća je izvedba MHE prikazana na slici 19.
Slika 19. Niskotlačna MHE s korištenjem postojeće brane [22]
34
b) Niskotlačne mHE sa sifonskim dovodom
U slučaju da brana nije previsoka može se ugraditi sifonski dovod. Integralni sifonski
dovod omogućuje elegantnu izvedbu postrojenja, najčešće do visine 10 m i za
postrojenja do 1000 kW, iako postoje postrojenja sa sifonskim dovodom sa
instaliranom snagom do 11 MW (Švedska) i visine do 30.5 m (SAD). Turbine mogu
biti smještene na vrhu brane ili na nizvodnoj strani. Na slici 20 prikazana je
niskotlačna mHE sa sifonskim dovodom.
Slika 20. Niskotlačna mHE sa sifonskim dovodom [22]
c) MHE integrirane unutar kanala za navodnjavanje
Postoje dvije izvedbe malih hidroelektrana koje koriste kanal za navodnjavanje:
 Ako je kanal dovoljno velik za smještaj zahvata, strojarnice, odvoda i bočnog
obilaza za vodu. Izvedba sa uronjenom strojarnicom opremljenom sa
desnokutnom pogonskom Kaplanovom turbinom na slici 21. Da bi osigurali
opskrbu vode za natapanje izvedba mora sadržavati bočni obilaz u slučaju
gašenja turbine. Istovremeno projektiranje i izgradnja s kanalom za natapanje.
35
Slika 21. Mala hidroelektrana koja koristi kanal za navodnjavanje [22]
 Ako kanal već postoji, pogodna opcija prikazana je na slici. Kanal bi trebalo
neznatno povećati za smještaj zahvata i preljeva. Da se širina zahvata
reducira na minimum, treba ugraditi izduženi preljev. Od zahvata se voda kroz
tlačni cjevovod dovodi do turbine, a zatim se kroz kratki ispust vraća u kanal.
Uglavnom u kanalima nema migracije riba pa su prolazi za ribe nepotrebni.
Slika 22. Mala hidroelektrana ugrađena u već postojeći kanal [22]
d) MHE ugrađena u vodoopskrbni sustav
Voda za piće se isporučuje u grad transportom vode iz povišenog rezervoara kroz
cjevovod pod tlakom. Uobičajeno, u takvim vrstama instalacije disipacija energije na
nižem kraju cjevovoda, na ulasku u postrojenje za pročišćavanje vode, se ublažava
korištenjem specijalnih ventila. Smještanjem turbine na kraj cjevovoda, da pretvori
ionako izguljenu energiju u električnu, je zgodna opcija, pod uvjetom da se izbjegne
vodeni udar. Da bi se osigurala trajna opskrba vodom mora biti ugrađen sustav
obilaznih ventila. U nekim vodoopskrbnim sustavima turbina ima ispust u otvoreni
bazen ili jezero. Sustav za kontrolu održava nivo vode u bazenu. U slučaju
mehaničkog zastoja ili zastoja turbine, sustav obilaznih ventila također može
održavati razinu vode u bazenu. U slučaju da glavni obilazni ventil ispadne iz pogona
pojavljuje se nadtlak, te se pomoćni obilazni ventil brzo otvori. Kontrolni sustavi su
još složeniji u sustavima gdje je izlaz iz turbine podvrgnut protutlaku vodene mreže.
Slika 23. mHE ugrađena u vodoopskrbni sustav [22]
4.5
Projektiranje malih HE
Poznavanje i izgrađenost prostora nužni su kako sa stajališta mogućnosti unošenja
novih zahvata, tako i sa stajališta utjecaja novog zahvata na postojeće i planirane
36
zahvate. Podaci se nalaze u postojećim dokumentima, katastrima, kartografskim
materijalima, a neke je potrebno snimiti.
Izbor odgovarajućih rješenja neposredno je ovisan o:
 Svojstvima sredine u kojoj se planira gradnja male hidroelektrane (priroda,
izgrađeni prostori), kao i o
 Raspoloživosti materijala za građenje, mogućnosti izgradnje nosive (stabilne i
čvrste), uporabljive i trajne građevine pouzdane u korištenju.
 Ekološkoj prihvatljivosti. Hidrotehničkim zahvatima neposredno se mijenja
stanje vode u prirodi što posredno djeluje na stanje okoliša manje ili više
intenzivno. Rješenje koje podržava održivi razvoj.
 Razvojnoj i ekonomskoj prihvatljivosti. Gradnja male HE je zahvat u funkciji
razvoja društva - neophodno je uskladiti rješenja s ostalim sudionicima
izgradnje i korištenja raspoloživih bogatstava, koja su i ekonomski prihvatljiva.
Nakon prikupljanja podloga i izvršenja odgovarajućih istražnih radova, te njihove
obrade, pristupa se analizi mogućnosti prirodnih vodotoka i mogućnosti iskorištenja
hidroenergetskog potencijala izgrađenih objekata na malim vodotocima. Također,
prilikom projektiranja malih HE potrebno je razmoriti slijedeće [23]:
 Geološke karakteristike
 Hidrološki i meteorološki istražni radovi
 Stanje na terenu
 Bruto energetski potencijal
 Veličina izgradnje male HE
 Izbor turbine i neto snaga za male HE.
37
5
5.1
GEOTERMALNA ENERGIJA
Porijeklo i priroda geotermalne energije
Gravitacijska energija i zaostala toplina od formiranja Zemlje te radioaktivni raspad
rezultirali su enormnom unutrašnjom kaloričkom energijom Zemlje. Procijenjena
temperatura unutrašnje jezgre od oko 40000C, na dubini od 6370 km, postupno
opada do samo nekoliko stupnjeva na površini zemlje (uz značajan doprinos
Sunčeve energije). Zemljina kora debljine oko 30 km pliva na omotaču oko vanjske i
unutrašnje jezgre. Ponašanje unutar jezgri je relevantno za magnetske polove
Zemlje, a dinamika omotača utječe na vulkanske erupcije i velike potrese. Za
korištenje geotermalne energije od važnosti je samo Zemljina kora i to posebno na
mjestima gdje se dodiruju tzv. tektonske ploče. To je stoga što ne postoji tehnološka
mogućnost pristupa većim dubinama. Granice tektonskih ploča predstavljaju mjesta
velikog rizika od aktivnih vulkana, potresa i dobar potencijal za korištenje
geotermalne energije [31].
Potencijal nekog područja za korištenje geotermalne energije grubo se može ocijeniti
preko temperaturnog gradijenta ispod površine zemlje.
Prosječan porast
temperature iznosi manje od 30 stupnjeva Celzijevih na 1 km. Područje sa posebno
dobrim potencijalom za korištenje geotermalne energije ima porast temperature oko
100 oC na 1 km. Međutim, kod dobrih izvora gdje se geotermalna energija i koristi
porast temperature može biti i viši. Temperaturni gradijent služi samo za
pojednostavljeni prikaz jer je stvarno kretanje temperature ovisno o prirodi
geotermalnog izvora i sastavu tla.
Potencijal za korištenje geotermalne energije ovisi o dubini na koju treba bušiti,
sastavu tla i prisutnosti te stanju vode.
Kapacitetom unutrašnje kaloričke energije prednjače najteže iskoristive suhe vruće
stijene. Dostupne temperature se kreču između 150 i 300 oC na dubinama od 2,5 do
6 km. Najveći problem korištenju predstavlja preuzimanje toplinske energije. Da bi
se preuzela toplina potrebno je dovesti medij (npr. vodu) i ostvariti kontakt sa vrućim
stijenjem. Postoje razne ideje o stvaranju pukotina, ali sve je još uvijek u istraživanju
[31].
5.2
Geotermalni resursi
Korištenjem podataka dobivenih bušenjem, satelitskim snimanjem i modeliranjem
moguće je procijeniti geotermalne resurse. Pri tome najvažniji su podatci o
temperaturama, količini vode/pare te o sastavu tla na nekom području. Geotermalne
se resurse može klasificirati prema temperaturi: nisko temperaturni (ispod 90 oC),
visoko temperaturni (preko 150 oC), a srednje temperaturni između. Temperature
određuju mogućnosti korištenja i načine primjene. Samo visoko temperaturni izvori se
smatraju ekonomičnim i praktičnim za proizvodnju električne energije.
Procjena resursa se uobičajeno posebno iznosi za proizvodnju električne energije i
za direktno korištenje toplinske energije. Dodatno se uzima u obzir sadašnje stanje
tehnologije i predvidivo unapređivanje. Slike 6.3 i 6.3a koje slijede ilustriraju podloge
za procjenu geotermalnih resursa u Europi i Hrvatskoj. Procjene su rezultat
38
kombiniranja podataka dobivenih stvarnim bušenjima i modeliranjem uz pretpostavke
o sastavu tla
Za Republiku Hrvatsku najprije treba naglasiti da pola zemlje nema nikakav
geotermalni potencijal dok pola predstavlja potencijal. Tako, dok južni dio zemlje ima
ispodprosječni temperaturni gradijent (manje od 20 oC/km) na sjeveru je temperaturni
gradijent iznad prosjeka (oko 50 oC/km sa varijacijama na posebnim lokacijama). Na
temelju podatak iz stvarnih bušotina (oko 50 napravila INA) na dubinama od nekoliko
km poznato je da potencijalni izvori imaju temperature vode od 40 do 170 oC. Prema
tome se procjenjuje da je ukupni potencijal za proizvodnju električne energije skoro
50 MWe i direktno korištenje preko 800 MWt. Uz pretpostavku o faktoru opterećenja
za proizvodnju el. en.od 80% to predstavlja potencijal za 0,35 TWh godišnje. Za
direktno korištenje to je potencijal od oko 7 TJ godišnje. Na slici 24 prikazan je
geotermalni potencijal Hrvatske [28].
Slika 24. Geotermalni potencijal u Hrvatskoj [28]
5.3
Direktno korištenje geotermalne energije za grijanje
Najjednostavniji i najperspektivniji način iskorištavanja geotermalne energije
predstavlja direktno korištenje toplinske energije za različite namjene u turizmu,
poljoprivredi, industriji i komunalnom grijanju. Direktno korištenje može biti
samostalno ili kombinirano. Kombinirati se može sa drugim (konvencionalnim)
načinima proizvodnje toplinske energije ili sa proizvodnjom el. en. iz geotermalnog
izvora. Tablica ispod ilustrira neke moguće direktne primjene geotermalne energije.
Dodatni primjeri za direktnu primjenu su npr.: prerada mesa (od 60 do 95 oC),
proizvodnja sira (od 40 do 95 oC) i sušenje žitarica (od 50 do 150 oC).
Svjetski kapaciteti za direktno korištenje geotermalne energije procjenjuju se na 15
GWt instalirane snage i 191 PJ korištene topline godišnje (2000.). EU je u 2006.
direktno iskoristila skoro 90 PJ (uključujući toplinske pumpe) s 9 GWt instaliranih
kapaciteta.
39
Direktna primjena je najveća za grijanje i odmah potom slijede kupališta, staklenici,
ribogojstvo te industrija. Svaka zemlja ima svoje specifičnosti ovisno ne samo o
geotermalnom potencijalu već i o brojnim drugim faktorima. Island je poseban primjer
stoga što za ukupne potrebe primarne energije koristi oko 55% geotermalnu energiju
(121 PJ, 2005.). Na prvom mjestu je grijanje (oko 60% ukupne korištene GE), a
zanimljivo je korištenje za otapanje snijega i leda u naseljima.
Hrvatska najviše direktno koristi geotermalnu energiju za toplice i lječilišta (oko 114
MWt instaliranih kapaciteta), a manji dio za zagrijavanje (oko 37 MWt). Potencijal je
značajan za povećavanje korištenja za toplice i komunalno grijanje. Veliki je
potencijal za Hrvatsku primjena u poljoprivredi (proizvodnja u staklenicima), uzgoju
riba te industriji (posebno prehrambenoj). Potencijalno važno iskustvo u ovom smjeru
će predstavljati izgradnja i korištenje lokacija Velika Ciglena i Lunjkovec-Kutnjak gdje
se planira, uz zdravstvenu i turističku namjenu, direktno koristiti toplinu za sušare,
proizvodnju povrća, uzgoj ukrasnog bilja, komunalno grijanje te jednim dijelom i
proizvodnju električne energije.
5.3.1 Toplinske pumpe
Mogućnost „pumpanja“ topline iz okoline korištenjem lijevokretnog kružnog
termodinamičkog procesa često se primjenjuje za grijanje (i hlađenje) u razvijenom
svijetu. Tzv. toplinske pumpe često se spominju zajedno sa geotermalnim izvorom
energije.
Dok se vanjska prosječna mjesečna temperatura zraka, za naše
kontinentalno područje, kreče u rasponu od -5 do +25 oC temperatura tla ostaje
približno konstantna (ovisno o podneblju od 6 do 8 oC) tijekom cijele godine već na
dubini od 8 do 10 m. Razlika prema zraku je iskoristiva i na dubini od 2 m gdje je
godišnji raspon od 3 do 10 oC za suho tlo i par stupnjeva šire za vlažno tlo. Takav
odnos temperatura u tlu i potrebne unutrašnje temperature u kući ili zgradi
predstavlja potencijal za isplativo i racionalno zagrijavanje (hlađenje) s koeficijentom
djelovanja od 3 do 6 (omjer dobivene toplinske energije i uložene el. en.). Ukupna
djelotvornost ovisi pokraj konstantne manje razlike temperatura i o korištenoj
tehnologiji a posebno o konkretnoj izvedbi (horizontalno, vertikalno, podzemne vode i
drugo).
Korištenje toplinskih pumpi u razvijenom svijetu na daleko je većoj razini od situacije
u Hrvatskoj. To se najprije odnosi na pojavu jeftinijih klima uređaja sa mogućnošću
crpljenja topline iz zraka koje imaju relativno mali koeficijent djelotvornosti. No, faktor
preobrazbe je konstantniji i bitno bolji kod primjena sa korištenjem toplinskog
spremnika u zemlje (nekoliko metara ispod površine).
Glavni dijelovi toplinske crpke su:






Kompresor
Tip i dužina cijevi kruga
Radni medij
Isparivač
Kondenzator
Termo ekspanzijski ventil

40
Horizontalni sustav s zatvorenim krugom
Ovaj se sustav primjenjuje kod objekta koji imaju potrebu za većom količinom
toplinske energije i na područjima gdje zbog tipa tla nisu moguće postavljanje
horizontalnog sustava. Za ovakav sustav potrebno je izbušiti jednu dublju bušotinu
(100 m do 200 m) ili više manjih (20 m, 30 m, 50 m) koje se nakon postavljanja zaliju
betonom. Poluetilenske cijevi su postavljene u obliku slova u s jakom spojnicom na
dnu. Dubinska sonda je najsigurniji izvor konstantne temperature.
Slika 25. Horizontalni sustav sa zatvorenim krugom [24]
Ovaj sustav se koristi na mjestima gdje ima dovoljno prostora te je tlo pogodno za
izvođenje građevinskih radova. Snop cijevi polaže se paralelno u tlo na dubinu veću
od dubine smrzavanja (oko 2 m). Nedostatak ovog sustava su velike temperaturne
oscilacije tla na tako malim dubinama.
Vertikalni sustav sa zatvorenim krugom
Ovaj se sustav primjenjuje kod objekta s potrebama za velikim količinama ogrjevne i
rashladne energije, kad je tlo blizu površine stjenovito ili na površinski skučenim
prostorima. Potrebno je izbušiti bušotine određene dubine Svaka bušotina
opremljena je jednim snopom polietilenskih cijevi spojenih na dnu „U“-spojnicom
velike čvrstoće.
41
Slika 26. Vertikalni sustav sa zatvorenim krugom [24]
Vertikalni sustav s otvorenim krugom
Slika 27. Vertikalni sustav s otvorenim krugom [24]
Ovaj sustav je isplativ u slučaju izdašnih podzemnih voda. Podzemna voda se
izravno crpi iz jedne bušotine te nakon što prođe kroz sustav toplinske crpke vrača u
drugu bušotinu koja je najmanje udaljena 15 m. Odvod se može provesti i u rijeku,
jezero ili tlo. Prednosti ovoga sustava su niže početne investicije te dobre
temperaturne osobine podzemnih voda.
5.4
Korištenje geotermalne energije za proizvodnju električne energije
Proizvodnja električne energije korištenjem geotermalnog izvora u principu je slična
klasičnoj konverziji unutrašnje kaloričke energije iz uobičajenih izvora toplinske
energije (npr. ugljen). Sličnost prestaje kada je riječ o činjenici da treba otkriti dobro
geotermalno nalazište i da je za to potrebno napraviti bušotinu (ili više njih) od
nekoliko km. Dodatno, kod geotermalnih izvora vrlo su rijetki sa parametrima medija
blizu parametara klasične termoelektrane.
42
Razlikuju se četiri vrste geotermalnih elektrana [31]:
 Elektrane na suhu paru (rijetko)
 “Flash steam”elektrane sa separiranjem mokre pare(T>200oC)
 Elektrane sa binarnim ciklusom (T<200oC) (u HR)
 Elektrane sa separiranjem pare i binarnim ciklusom (veća učinkovitost)
Najkvalitetniji geotermalni izvori daju suhu paru visoke entalpije (temperature oko
240oC) na ulazu u postrojenje. Takva postrojenja se po svojoj izvedbi i snazi (reda
100 MW) ne razlikuju značajno od klasičnih termoelektrana. Specifičnost su
centrifugalni separator nečistoća prije turbine i parni ejektor za uklanjanje
nekondezibilnih plinova (do 10% mase; CO2, NH4 i H2S) iz kondenzatora. Za
smanjivanje potrebnog rashladnog protoka tlak u kondenzatoru je relativno visok
(~135 kPa) i to, uz relativno male temperature, dodatno umanjuje termički stupanj
djelovanja prema klasičnim postrojenjima. Na svijetu ima malo primjera koji koriste
izvore suhe pare (Lardarello u Italiji, Matsukawa u Japanu, Geysers u SAD i
Kamojang na Javi). Cijena ovakvih postrojenja sa bušotinama dvostruko je iznad
cijene konvencionalnih (oko 2000 €/kW).
Organski medij
Srednje dobri i najčešće korišteni geotermalni izvori daju na izlazu mokru paru.
Temperatura fluida je preko 2000C s velikim salinitetom (do 280e3 ppm). Separiranje
pare se odvija u jednom, dva i rjeđe tri stupnja. Broj stupnjeva se povećava za bolji
ukupni stupanj djelovanja kod lošijih izvora. Kombinirani proces proizvođenje el. en. i
topline se koristi umjesto trostruke separacije pare. Cijena ovakvih postrojenja
otprilike je 30% veća od onih sa suhom parom. Elektrane sa mokrom parom su
manjih snaga (10-50 MWe) i koriste se u SAD, Japanu, Novom Zelandu, Meksiku i
na Islandu.
Slika 28. Shematski prikaz binarne geotermalne elektrane [31]
43
6
6.1
ENERGIJA SUNCA
Potencijal Sunčeva zračenja
Energija Sunčeva zračenja kontinuirano pristiže na Zemlju koja se okreće oko svoje
osi i oko Sunca. Posljedično imamo dnevne i sezonske mijene snage Sunčeva
zračenja koje stiže do površine Zemlje. Snaga Sunčeva zračenja na ulazu u
Zemljinu atmosferu, pri srednjoj udaljenosti od Sunca, iznosi 1370 1 W/m2. Do
površine Zemlje stiže otprilike pola. Ukupno Sunčevo zračenje koje dođe na Zemlju
vrati se natrag u svemir2. Snaga koju stvarno na površini imamo značajno ovisi o
prilikama u atmosferi i o oblacima. Za grubu ocjenu
prosječne snage Sunčeva zračenja na površini zemlje
tijekom cijele godine se može uzeti vrijednost od skoro
200 W/m2 [19].
Jednostavni račun s površinom Zemlje okrenutom
Suncu može ocijeniti godišnje dozračenu energiju.
Slika sa strane uspoređuje preko volumena kocke
energiju Sunca dozračenu na Zemlju (1) s rezervama
primarnih izvora energije i ukupnom svjetskom
potrošnjom energije (7). Nedvojbeno je da se radi o
enormnim količinama energije mnogostruko većim od
svih rezervi ugljena (4), prirodnog plina (3), nafte (5) i urana (6) zajedno. Iznos
trenutno korištene Sunčeve energije prikazuje najsitnija kocka broj 2 [34].
Za neku određenu lokaciju potencijal Sunčeva zračenja se određuje mjerenjem i
analitički. Mjeriti se može lokalno ili satelitski. Analitički pristup daje zadovoljavajuće
rezultate ukoliko je poznat tzv. indeks prozračnosti (Kt – određuje koliko zračenja
dođe do površine). Piranometrom (termičkim ili poluvodičkim) se mjeri globalna
(ukupna), direktna i difuzna (raspršena) ozračenost na horizontalnu površinu
(gustoća energije - H Wh/m2). Daljnja analitička procjena je nužna zbog toga što su
rezultati mjerenja najčešće dostupni samo za ukupnu ozračenost i jer se konverzija
Sunčeva zračenja odvija pod određenim kutom (β) u odnosu na horizontalnu
površinu, a difuzno i direktno zračenje također ovise o tom kutu i o indeksu
prozračnosti. Dodatno treba voditi računa i o reflektiranoj komponenti koja ovisi o
direktnoj komponenti, kut β i specifičnoj konfiguraciji terena.
1
Uslijed blage ekscentričnosti putanje Zemlje oko Sunca i različite udaljenosto tijekom godine
vrijednost Solarne konstante varira ±3,5%. To se može zanemariti prema ostalim varijabilnim
utjecajima.
2
Na putu do površine Zemlje oko 30% direktno se odbija natrag u svemir (od atmosfere 6%, od oblaka
20% i od zemlje 4%), oko 19 % apsorbira se u atmosferi (oblaci 3%, atmosfera iznad 16%), a ostatak
upije kopno i more. Iz zemlje i oceana sve se vraća natrag: zagrijavanjem zraka 7%, isparivanjem
vode 23% i infracrvenim zračenjem 21%. Uz prethodne izmjene u oblacima i atmosferi Zemlju na
kraju napušta infracrvenim zračenjem 70% Sunčeve energije.
44
6.2
Toplinska primjena
Pod toplinskim korištenjem Sunčeva zračenja podrazumijeva se direktna primjena za
zagrijavanje objekata, grijanje vode ili u novije vrijeme korištenje u rashladnim
uređajima. Toplinska primjena se dijeli još na pasivnu i aktivnu.
6.2.1 Pasivna arhitektura
Najstariji oblik korištenja energije Sunčeva zračenja je u pasivnoj arhitekturi. Pasivna
gradnja ponajprije znači da se stambene cjeline i objekti grade tako da se čim više
zagrijavaju kada je tijekom godine hladno i da se što manje zagrijavaju kada je toplije
godišnje doba. Ovo je moguće postići zahvaljujući činjenici da je kut (deklinacija) pod
kojim se Sunce, u krajevima sjeverno od ekvatora, nalazi tijekom ljeta veći od onoga
preko zime. Pasivno rješenje predstavlja nadstrešnica na južnom dijelu nastambe.
Ljudi ovo koriste već više od dva milenija. Pasivna gradnja dodatno može biti u
dobroj izolaciji objekta; zidovima i podovima koji imaju dodatnu masu za akumuliranje
topline (akumulacija preko dana za noćne potrebe); odgovarajućom izvedbom
prozora; dodatnim izvorom svjetla iz posebnih kanala. Postoje i rješenja koja strogo
gledano nisu pasivna gdje se može npr. pomicati pokrov ili dio fasade. Kontrolirana
ventilacija također doprinosi učinkovitosti i komforu.
Pretpostavka pasivnoj gradnji je značajna južna površina i da nema zasjenjivanja
okolnih objekata. Dodatno treba planirati uređenje oko objekta raslinjem za stvaranje
sjene zelenilom preko ljeta i osiguravanjem zaklona od vjetra preko zime.
6.2.2 Toplinski kolektori
Korištenje energije Sunca preko toplinskih kolektora malo je složenije od pasivnih
rješenja ali zato sigurno najisplativije. Rješenja mogu biti sa i bez aktivnih
komponenti te mogu koristiti zrak ili vodu kao radni medij. Dalje se mogu razlikovati
po temperaturi koju postiže radni medij, tako imamo: nisko, srednje i visoko
temperaturne primjene.
Najjednostavnija nisko temperaturna rješenja se koriste za grijanje bazena ili
industrijskih objekata. Izvode se sa cijevima bez pokrova ili sa fasadama koje imaju
zračne prolaze. Najbolji su za temperature do 10 oC iznad okolišne (slika 29).
45
www.re-solutions.org
NREL
Slika 29. Nisko temperaturni kolektori za grijanje vode u bazenima i za grijanje
prostora [25, 26]
Nešto složeniji srednje temperaturni kolektori imaju pokrov od stakla te posebne
premaze koji pospješuju apsorpciju uz minimalnu emisiju. Koriste se za grijanje
objekata i tople vode. Najbolji stupanj djelovanja imaju za temperature medija do 50
o
C iznad okolišne.
Slika 30. Srednje temperaturni solarni kolektori
Visoko temperaturni kolektori su najsloženiji jer zahtijevaju vakumirane staklene cijevi
i dobru izolaciju. Prednost im je što omogućavaju postizanje temperatura iznad 50
o
C, a u posebnim izvedbama i preko 100 oC. Slika 31 prikazuje presjek vakumirane
cijevi visoko temperaturnog kolektora.
46
Staklena
vakumirana cijev
kondezer,
izmjenjivač topline
Selektivni
absorber
radni medij
Slika 31. Presjek evakuirane staklene cijevi visoko temperaturnog kolektora [27]
6.2.3 Hlađenje
Sve su brojniji projekti koji demonstriraju direktnu primjenu Solarne energije za
hlađenje. Za kompletnu dostatnost se razmatraju kombinirana rješenja sa bojlerima
na biomasu. Stanje razvoja je pred uvođenjem na tržište i značajno smanjenje cijene
se očekuje u idućim godinama. Važnost primjene Solarne energije za hlađenje je u
sve većim potrebama za električnom energijom u ljetnim mjesecima i maksimalnom
poklapanju sa njenom dostupnosti.
Solarno hlađenje radi tako da zamjenjuje kompresor, pogonjen el. en., procesom koji
koristi medij za preuzimanje topline s vrlo niskom točkom ključanja (ispod 0 oC).
Uređaj se sastoji od bojlera, kondenzatora, evaporatora i absorbera. Može se
koristiti amonijak pod tlakom tako da je tekuć na sobnoj temperaturi, a potrebni su još
vodik i voda. Razvijaju se i rješenja s litij bromidom i vodom.
Hlađenje bez korištenja mehaničke energije poznato je još od početka prošlog
stoljeća kada je bilo popularno jer el. en. nije bila dovoljno dostupna za razliku od
izvora ostatne topline. Ovakav način rashlađivanja se izvodi na apsorpcijski i
adsorpcijki način.
6.3
Proizvodnje električne energije iz Sunčevog zračenja
6.3.1 Solarne termoelektrane
TE na Sunčevu energiju se ne razlikuju u osnovi od ostalih TE u dijelu koji pretvara
toplinsku energiju u električnu. Uvijek se primjenjuje toplinski kružni proces koji
preko turbine ili nekog drugog toplinskog stroja pretvara toplinsku energiju u
mehaničku i električnu preko generatora. Tri su različita rješenja Solarnih
termoelektrana relevantna prema iskustvu i potencijalu za ekonomičnu primjenu:

Parabolična protočna solarna TE

Solarni toranj

Parabolični tanjur
Sve ove termoelektrane koriste primarno direktnu komponentu Sunčevog zračenja
i za dostatnu učinkovitost moraju pratiti kretanje Sunca. Pored navedenih rješenja
47
zanimljivo je spomenuti i tzv. Solarni dimnjak koji se bazira na solarnim kolektorima i
zračnim turboagregatima (zasada manji potencijal).
Parabolična protočna solarna termoelektrana
Rješenje solarne termoelektrane (STE) s poljem cijevi u fokusu polja linearnih
paraboličnih koncentratora ima najveći potencijal za posve komercijalno korištenje.
Kumulativno iskustvo i ukupne probne instalacije daleko premašuju sva ostala
rješenja solarnih TE. Veliko iskustvo sa ovim rješenjem dolazi od 354 MWe
instalacija u Mojave pustinji u Kaliforniji još prije 20 godina čini parabolične protoče
STE najrazvijenijom tehnologijom. Relativni zastoj u aktivnostima se mijenja u
zadnje vrijeme izgradnjom postrojenja u Španjolskoj, Izraelu i drugdje, ali uz zastoje i
nejasnu kratkoročnu budućnost.
Koncentracijom Sunčeva zračenja od 75x postižu se temperature radnog medija i do
400 oC. Ukupna efikasnost ovisi o specifičnoj izvedbi, ali se kreće oko 12%.
Solarni koncentratori mogu pratiti Sunce samo u jednoj osi i to je obično istok-zapad.
Kao kružni proces se uobičajeno koristi Rankineov direktni ili posredni. Usklađivanje
dostupnosti energije Sunca i potrošnje se rješava toplinskim spremnicima velikog
kapaciteta (otopljene soli). Optimalna snaga postrojenja se računa na oko 200 MWe
(najviše zbog površine) [30].
Slika 32 prikazuje ilustraciju sheme jednog rješenja cijele parabolične protočne STE
[27].
Slika 32. Shema primjera izvedbe parabolične protočne Solarne TE [27]
Solarna TE – izvedba s solarnim tornjem (središnjim prijemnikom)
Rješenje STE sa centralnim tornjem prema kome su usmjerena reflektirajuća zrcala
vrlo je slično rješeno u ostatku postrojenja paraboličnoj protočnoj izvedbi.
Tehnologija sa centralnim tornjem je nešto slabije razvijena. Ovdje se postižu
koncentracije Sunčevih zraka do 800x i temperature u tornju do 560oC (istopljena
48
dušična sol, organske kapljevine ili zrak). Optimalna snaga se procjenjuje u rasponu
od 100 do 100 MWe. Potrebno je oko 20 m2 površine za 1 kWe [30].
Slika 33. ilustrira pilot postrojenja STE sa solarnim tornjem [32].
Slika 33. Solarni toranj 11 MWe (Španjolska, 600 ogledala) i Solar II 10 MWe
California (2000 ogledala, 100 m toranj, 40 M$)
Solarna TE s paraboličnim tanjurom
Najmanje razvijena od tri opisane STE je izvedba sa paraboličnim tanjurima (slika
34). Ove STE najmanje izgledaju kao uobičajene termoelektrane jer jedna jedinica
ima snagu od 10 do 25 kWe. Kompletan toplinski stroj i generator se nalaze
smješteni u fokusu tanjura promjera oko 10 m. Uobičajena izvedba je sa Stirlingovim
toplinskim strojem (postoje izvedbe sa mikroturbinama i Braytonovim kružnim
procesom). Stirlingov motor ima prednost zbog efikasnosti (i preko 40%), ali problem
predstavlja pouzdanost. Ukupna efikasnost koja se postiže iznosi 22% što je bolje
od ostalih izvedbi STE Sunčeva svjetlost se koncentrira više od 3000x što predstavlja
izazov kod realizacije (skupo). STE sa paraboličnim tanjurom karakterizira velika
gustoća snage (oko 55 kW/l). Medij u toplinskom stroju postiže temperature od preko
750 oC [30].
Slika 34. Solarna TE s paraboličnim tanjurom [32]
49
6.3.2 Fotonaponske ćelije
Pojavu da svjetlost određene valne dužine kada obasjava neki metal (npr. cink ili
natrij) iz njega izbije elektron otkrio je još Becquerel 1939. Objašnjenje ove
kvantnomehaničke pojave, kojom se može proizvoditi električnu energiju, dao je
Einstein 1905. Prva moderna izvedba fotonaponske ćelije, koja iskorištava opisani
efekt, ostvarena je 1954. u Bell Labs.
Prema podatcima za 2011. u svijetu ima 70 GWe instalirane snage fotonaponskih
ćelija (izvor: REN21 Renewable 2012 Global Status Report)
Fotonaponsko korištenje Sunčeve energije sa svojim eksponencijalnim rastom od
40% godišnje predstavlja trenutno najbrže rastući novi izvor. Ovako veliki rast
predstavlja potencijalni izvor za poremećaje sa dobavom osnovnih sirovina (npr.
silicija i indija).
Razvoj i pojavljivanje na tržištu novih tehnologija poput tankog-filma, uz solidan
stupanj djelovanja od 10 i više postotaka, predstavlja nadu da će se potrebe za
osnovnim sirovinama barem dijelom relaksirati.
Fotonaponska ćelija je poluvodički element koji omogućuje izravnu pretvorbu
svjetlosti u električnu energiju na osnovi fotonaponskog efekta. Fotonaponske ćelije
se mogu prikazati pomoću ekvivalentnog sklopa koji je prikazan na slici 35.
Slika 35. Ekvivalentni sklop fotonaponske ćelije [8]
Struja takvog kruga, odnosno fotonaponske ćelije određena je sljedećim izrazom:
 e (U  IRs )  U
I  I fs  I d  I p  I fs  I 0 e mkT  1 

 Rp
(16)
Ukoliko se zanemari serijski i paralelni otpor tada vrijedi [8]:
50
 IRs )
 e (UmkT

I  I fs  I 0 e
 1


(17)
Gdje je:
 I – struja ekvivalentnog sklopa prema slici 35.
 Ifs – fotostruja
 Id – struja diode
 Ip – struja kroz paralelni otpor,
 U – napon
 Rp – paralelni otpor FN ćelije
 I0 – struja zasićenja
 e – elementarni naboj, e=1,602176462∙10-19 As
 Rs – serijski otpor FN ćelije
 m – parametar FN ćelije, m=1
 k – Boltzmanova konstanta, k=1,3806∙10 -23 J/K
 T – apsolutna temperatura
Strujno naponske karakteristike fotonaponske ćelije su prikazane na slici 36.
I [A]
PMPP=IMPP· UMPP
IKS
Točka maksimalne
snage (MPP)
IMPP
UMPP
UPH
U [V]
Slika 36. Strujno – naponska karakteristika fotonaponske ćelije [8]
51
Fotonaponska ćelija se može opisati s četiri bitna parametra:
 Struja kratkog spoja IKS – struja pri kratko spojenim stezaljkama fotonaponske
ćelije. Tada je napon U=0, a struja kratkog spojka je jednaka fotostruji, IKS= Ifs.
 Napon praznog hoda UPH – Napon otvorenih stezaljki fotonaponske ćelije koji
je jednak [8]:
U PH 

k  T  I KS
ln 
 1
e
 I0

(18)
 Stupanj korisnog djelovanja fotonaponske ćelije η FNC – omjer električne snage
koju može ostvariti FN ćelija i snage Sunčevog zračenja na njezinu površinu i
jednak je [8]:
 FNC 
U J
PMPP
100  F  PH KS 100
G  AFNC
G
(19)
Gdje je:
 G – snaga Sunčevog zračenja [W/m2]
 A – površina FN ćelije [m2]
 JKS – gustoća struje kratkog spoja [A/m2]
 Faktor punjenja F – omjer maksimalne snage FN ćelije i umnoška struje
kratkog spoja i napona praznog hoda i jednak je [8]:
F
PMPP
U
I
 MPP MPP
U PH  I KS
U PH  I KS
(20)
Vrijednosti faktora punjenja F se kreću u rasponu od 0,7 do 0,9.
6.3.3 Fotonaponski modul i nizovi
Budući da jedna ćelija daje napon od samo oko 0,5 V, zbog toga je rijetka uporaba
samo jedne ćelije. Zbog toga se kao osnovni blok kod fotonaponskih sustava koristi
FN modul koji je se sastoji od više spojenih ćelija te postavljenih u kućište otporno na
vremenske prilike. Tipični FN modul sastoji se od 36 ćelija te ima izlazni napon od 12
V. Nadalje se više FN modula spaja u seriju ili paralelu da bi se dobio veći napon,
odnosno veća struja te tada čine fotonaponski niz ili string.
52
Od ćelije do modula
Slika 37. FN ćelija, modul i niz [11]
Struja (A)
Na slici 38 prikazan je I – U karakteristika tipičnog FN modula.
Slika 38. I – U karakteristika tipičnog FN modula [8]
Na slici 39 prikazana je složena ekvivalentna shema fotonaponske ćelije uključujući
paralelni i serijski otpor.
53
Slika 39. Složena ekvivalentna shema fotonaponske ćelije uključujući paralelni i
serijski otpor [8]
Struja fotonaponske ćelije prema slici 10 opisana je izrazom (21) [8]:
 e (UkT IRs )   U  IRs 
I  I KS  I 0 e
 1  

(21)


  Rp 
Strujno naponska karakteristika fotonaponske ćelije prema slici 39 i izrazu (21)
prikazana je na slici 40.
Slika 40. Strujno naponska karakteristika FN ćelije uključujući
paralelni i serijski otpor [8]
Za temperaturu od 250C izraz (8) poprima sljedeći oblik [8]:
I  I KS  I 0 e

38,9U  IRs 
1
 1  U  IRs 
 R
p
(22)
Ukoliko je:
54
U d  U  I  Rs
tada se dobije sljedeći izraz (uz pretpostavku da je temperatura 25 0C):
U
I  I KS  I 0 e38,9U d  1  d
Rp
(23)
(24)
Konačno se dobije da napon jedne ćelije prema izrazu (10) iznosi:
U  U d  I  Rs
(25)
U mod  n  U d  I  Rs 
(26)
Napon modula je jednak:
Gdje je n broj ćelija spojenih u seriju.
Od modula do niza
Moduli se spajaju u seriju ukoliko se želi postići veća vrijednost izlaznog napona, a u
paralelu ukoliko se želi postići veća vrijednost struje. Nizovi se uglavnom sastoje od
kombinacije.
Ukoliko se moduli spajaju u seriju, I – U karakteristike se jednostavno dodaju duž
naponske osi kako je to prikazano na slici 7.
Slika 41. I – U karakteristika serijski spojenih FN modula [8]
Ukupna I – U karakteristika jednostavno je jednaka zbroju pojedinačnih
karakteristika.Ukoliko se moduli spajaju u paralelu, napon I – U karakteristike jednak
je za sve module, dok se struje jednostavno zbrajaju kako je prikazano na slici 42.
55
3 modula
I=I1 +I2+I3
+
I1
I2
I3
2 modula
U
1 modul
Napon (V)
-
Slika 42. I – U karakteristika paralelno spojenih FN modula [8]
I – U karakteristika kombinirano spojenih FN modula prikazan je slikom 43.
56
Slika 43. I – U karakteristika kombinirano spojenih FN modula [8]
6.3.4 Fotonaponski sustavi
Pod pojmom fotonaponski sustav podrazumijevaju se svi uređaji, oprema i jedinice
koje čine FN instalaciju koja je potrebna za njegov ispravan rad [9]. U pogledu spoja
na mrežu postoje dvije vrste FN sustava:
 Umreženi (sustavi spojeni na mrežu)
 Autonomni (samostalni sustavi bez spoja na mrežu)
Fotonaponski sustav koji je spojen na mrežu prikazan je na slici 44.
Slika 44. Fotonaponski sustav spojen na mrežu [8]
Na slici 45 prikazana je druga vrsta FN sustava, samostalni sustav. To je sustav u
kojemu je FN sustav jedini izvor energije, odnosno nema spoja na mrežu.
Slika 45. Samostalni fotonaponski sustav (bez spoja na mrežu) [8]
57
Nositelji normizacije na području fotonaponskih sustava su IEC i IEEE-SA, a
ključne norme na području fotonaponskih sustava su [9]:
 IEC 61730 (HRN EN 61 730: 2008) - Photovoltaic Module Safety – Sigurnosni
zahtjevi za fotonaponske module
 IEC 61215 (HRN EN 61 215: 2008) - Crystalline silicon terrestrial photovoltaic
(PV) modules – Design qualification and type approval – FN moduli od
kristalnog silicija za zemaljske primjene – Ocjenjivanje konstrukcije i potvrda
tipa
 IEC 61646 (HRN EN 61 646: 2008) - Thin-film terrestrial photovoltaic (PV)
modules - Design qualification and type approval – tankoslojni FN moduli za
zemaljske primjene - Ocjenjivanje konstrukcije i potvrda tipa
Norma HRN EN 61 730: 2008 opisuje temeljne konstrukcijske zahtjeve za
fotonaponske module. Njihov cilj je osigurati siguran mehanički i električni rad
tijekom predviđenog životnog vijeka. Norma HRN EN 61 215: 2008i norma HRN EN
61 646: 2008 opisuje tip modula i zajedno sa normom HRN EN 61 730: 2008 definira
temeljne zahtjeve na konstrukciju fotonaponskih modula.
IEEE SCC21 je razvio niz normi, smjernica i preporuka u svezi funkcionalnih i
pogonskih zahtjeva za rad fotonaponskih sustava i opreme [9]:
 IEEE 1262 Recommended Practice for Qualification of Photovoltaic (PV)
Modules
 IEEE 1374 Guide for Terrestrial Photovoltaic Power System Safety
 IEEE 928 Recommended Criteria for Terrestrial Photovoltaic Power System.
Iz popisa normi za fotonaponske instalacije može se zaključiti da se u njima pružaju
brojne informacije, upute i smjernice za pojedine dijelove ili daju primjeri primjene FN
sustava. Ne postoji jedinstveni dokument kojim bi se obuhvatili različiti zahtjevi za FN
instalacije, sigurnosne upute, smjernice za odabir osnovnih dijelova itd. Većina
međunarodnih normi na području fotonaponskih sustava su prihvaćene kao
hrvatske norme, ali u izvorniku (na engleskom jeziku) [9].
I za zaštitu FN sustava od kratkog spoja se koriste osigurači. Ipak, iskustvo je
pokazalo da osigurači koji su se do sada koristili sa svojim svojstvima ne mogu u
cijelosti zadovoljiti zahtjeve za suvremenom zaštitom u takvim sustavima. U
fotonaponskim instalacijama ne može doći do iznimno velikih struja kratkog spoja
zbog čega se zahtijevaju, odnosno predviđena su razna ispitivanja isklopne moći. U
slučaju ispada nekog FN modula rastalni osigurač ga mora isklopiti čime se
onemogućava da se energija iz cijelog sustava raspodijeli po njemu. Zbog toga su za
fotonaponske sustave potrebni osigurači koji imaju razmjerno male radne struje te
koji odgovaraju raznim drugim parametrima (IEC 60 269 - 2). Prema tome najvažnije
značajke rastalnih osigurača za FN sustave su: [9]
 Nova oznaka vremenske karakteristike struje: gPV
58
 Donja jakost struje (''non – fusing''): Inf=1,13∙In
 Gornja jakost struje (''fusing''): If=1,45∙I n
 Rastalni ulošci s karakteristikom
temperaturnom ciklusu.
gPV
moraju
biti
ispitani
na
tzv.
 Rastalni ulošci s karakteristikom gPV moraju biti ispitani i na cikličkom
strujnom opterećenju, pri čemu broj ciklusa ispitivanja iznosi 3000.
Pretpostavljajući Sunčevo zračenje od 1200 W/m2 i temperaturu okoline od 450C
prema IEC 60 269-6 za nazivnu struju osigurača FN niza se može uzeti [10]:
I n  1,4  I KS
(12)
59
Literatura:
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
Jenkins, N., Allan, R., Crossley, P., Kirschen, D., Strbac, G.,
"Embedded generation", The Institution of Electrical Engineers, London, 2000.
Lajos Jozsa: Energetski procesi i elektrane, udžbenik ETF Osijek,
2006. godine
Marijan Kalea: Nekonvencionalni izvori energije, predavanje, ETF
Osijek, 2006. godine
Strategija energetskog razvitka Republike Hrvatske, 2008.
(»Narodne novine«, br. 68/01., 177/04., 76/07. i 152/08.)
V. Potočnik, Z. Komerički, M. Magdić, Mali termoenergetski objekti,
II savjetovanje hrvatskog komiteta CIGRE, Šibenik – Primošten, 1995.
S. Knežević, "Tehnologije vjetroelektrana trendovi u svijetu u
primjena u Hrvatskoj", HEP - Obnovljivi izvori energije
Dizdarević, N., Majstorović, M., Žutobradić, S., "Pogon
vjetroelektrana", HK CIGRE, Cavtat, 2003., C6-23
''Renewable and Efficient Electric Power Systems'' Gilbert M. Masters, John
Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2004, USA.
''Osnove primjene fotonaponskih sustava'' Boris Labudović, Energetika
Marketing d.o.o., Grafika Hrašće, Zagreb 2011.
[10] Short circuit protection in PV systems: Requirements for photovoltaic fuses.
http://www.siba-fuses.com (veljača 2013.)
[11] Damir Šljivac, Zdenko Šimić: Obnovljivi izvori energije s osvrtom na
gospodarenje'' Hrvatska komora arhitekata i inženjera u graditeljstvu, Osijek,
ožujak 2008.
[12] Igor Raguzin, Domagoj Validžić,Ivan Kezele: „Novi propisi za obnovljive
izvore energije“, časopis EGE, 2/2007.
[13] Hrvatski opetaror tržišta energije – Obnovljivi izvori energije i kogeneracija,
www.hrote.hr (veljača 2013.)
[14] Biomasa kao obnovljivi izvor energije, Radna skupina za biomasu,
Ministarstva poljoprivrede, šumarstva i vodnog gospodarstva te Ministarstva
gospodarstva, rada i poduzetništva, ISBN: 953-6474-49-2
[15] M., Kaltschmitt: „Evaluierung der Möglichkeit zur Einspeisung von Biogas in
das Erdgasnetz“, Institut für Energetik und Umwelt, Projektnummer 323
20002, 2005.
[16] Teodorita Al Seadi, Dominik Rutz, Heinz Prassl, Michael Köttner, Tobias
Finsterwalder, Silke Volk, Rainer Janssen: “Bioplin priručnik“, Biogas for
Eastern Europe IEE projekt, 2008.
[17] IEA Energy Technology Essentials: Biomass for Power Generation and CHP,
2007. www.iea.org (veljača 2013.)
60
[18] V. Potočnik, Z. Komerički, M. Magdić: “Mali termoenergetski objekti“, II
savjetovanje hrvatskog komiteta CIGRE, Šibenik – Primošten, 1995.
[19] Božidar Udovičić: Energetika, Školska knjiga, Zagreb, 1993.
[20] Krivulja snage vjetroelektrane www.vestas.com (veljača 2013.)
[21] HEP Operator prijenosnog sustava: Dodatni tehnički uvjeti za priključak i
pogon vjetroelektrana na prijenosnoj mreži http://www.hep.hr/ops/usluge/
sustav/uvjetiVE.pdf (veljača 2013.)
[22] European Small Hydropower Association – ESHA, Guide on How to Develop
a Small Hydropower Plant, ESHA, 2004. (www.esha.be)
[23] Bobrowicz,Wladyslaw.“Small Hydro Power-Investor
Energetyczny Koncern Energetyczny SA,2006.
Guide“,
Koncern
[24] Perko, Jurica; Dugeč, Vjekoslav; Topić, Danijel; Šljivac, Damir; Kovač, Zoran:
„Calculation and Design of the Heat Pumps“ // Proceedings of The 3rd
International Youth Conference on Energetics 2011 / Leiria, 2011.
[25] Nisko temperaturni kolektori: www.re-solutions.org (veljača 2013)
[26] National Renewable Energy Laboratory www.nrel.gov (veljača 2013.)
[27] Visoko temperaturni kolektori i parabolične protočne solarne termoelektrane:
www.volker-quaschning.de/articles (veljača 2013.)
[28] Energetski institut Hrvoje Požar, http://www.eihp.hr, (svibanj 2012.)
[29] D. Kralik:“ Biomasa – energije iz poljoprivrede“, predavanja, Poljoprivredni
fakultet Osijek, http://www.pfos.hr/~dkralik/Predavanja_PDF/Biomasa.pdf,
(svibanj 2012.)
[30] M. Kaltschmitt, W. Streicher, A.Wiese. „Renewable Energy“, Springer, Berlin,
2007.
[31] Geothermal Energy Association: http://geo-energy.org (veljača 2013.)
[32] An Industry Report on Solar Thermal Energy: http://www.solar-thermal.com/
(veljača 2013.)
[33] G. Pichler: Obnovljivi izvori energije www.greenenergy.hu/ime/publikacio/
phare/Pichler.htm (travanj 2006.)
[34] Solar Book, On-line Solar Study Reference, http://www.solarbook.ie/ (veljača
2013.)
61

Upute - Obnovljivi.com

ovdje - Door

PROBUS

“For a greener future of rural area”

Simulator vjetroelektrane u programskom okruženju Matlab

katalog - Pergola Agava

procjena iskoristivosti solarne i energije vjetra

(PDF, 920KB) - NLP & Coaching Akademija

Conversus Katalog Proizvoda

Eurokod 1 – Dejstva na konstrukcije Dio 1

Projekt podrške direktnom finansiranju održivih

TEHNO – ING d.o.o. I UVOD ......................................................