energija in okolje - laboratorij · pdf file4 toploto, ki je uskladiščena v zemljini...

1

Vsebina

Kaj so OVE

Vloga in pomen OVE skozi zgodovino

Potencial, tehnologije, vplivi na okolje

sončna energije,biomasa,energija vetravodna energijageotermalna energija

Predavanje # 6

Obnovljivi viri energije

Energija in okolje

Sončno sevanje, ki ga oddaja Sonce in ga lahkospremenimo v toploto ali elektriko, v naravi pa povzroča nastanek vetra, valov, vodne energije in biomase.

Planetarna energija Lunein Sonca, ki skupaj s kinetično energijo Zemljepovzroča periodično nastajanje plime in oseke.

Toploto, ki iz notranjostiZemlje prehaja proti površju

in jo imenujemogeotermalna energija.

#6 Obnovljivi viri energije

2

Sončno obsevanje se v naravi pretvarja v različne oblike energij. Večina od njih je v obliki prehodnih energij. Le v obliki biomase, ki nastaja s procesom fotosinteze in kot toplota, ki je uskladiščena v oceanih je sončna energija v naravi shranjena poljubno dolgo.

Sončno obsevanje je najpomembnejši vir energije za naš planet in ljudi.

#6 Obnovljivi viri energije

100%

70%

47%

23%0.2%0.1%0.004%

sončno sevanje na robu atmosfere

sončno sevanje na površini Zemlje

energija za kroženjevode v atmosferi

se pretvori v toploto

energija vetra in gibanja oceanovporabijo raslinedodatno porabijo ljudje

V Sončnem jedru so temperature med 8 in 40 milijoni K, poteka zlitje jeder -> 4 1H v 4He. Masa atomov H je večja od mase nastalih atomov He-> E = ∆m . c2

Večina sevanja, ki doseže površje Zemlje prihaja iz fotosfere, dela Sonca, ki ga vidimo na nebu.

Energija se prenaša v obliki elektromagnetnega valovanja, katerega valovne dolžine so definirane s temperaturo fotosfere.

#6 Sončna energija

3

Valovne dolžine elektromagnetnega valovanja (v µm oziroma 1000 nm)

#6 Sončna energija

Plankov sevalni zakon: telesa z višjo temperaturo T oddajajo večji sevalni tok in s krajšimi valovnimi dolžinami.

Stefan-Boltzmanov zakon: Skupni sevalni tok (ploskev pod krivuljami spektralnega sevalnega toka Eλ) je integral po vseh valovnih dolžinah in je proporcionalen s T4

srednja razdalja med Soncem in Zemljo R = 149.6 109 metrov in premer Sonca r je enak 1.392 109 metra.

Abbot in Johnson (1954) prvi 1322 W/m2, drugi 1395 W/m2. NASA (1971) 1353 W/m2 ± 1.5% World Radiation Center (WRC) 1367 W/m2 ± 1%

Gex (ex==extrateristično) imenujemo “solarna konstanta”.

Sonce

r=0.7 10 m9

R=1.5 1011m

Zemlja

sin Φ = =s 0.27orR

QQss = A= Ass . . σσσσσσσσ . . TTss = 4 . = 4 . ππππππππ . r . . r . σσσσσσσσ . . TTss4 42

toplotni tok (W), ki ga na svoji površini As v trorazsežno vesolje oddaja optično črno Sonce (es=1) s temperaturo fotosfere Ts določimo s Stefan-Boltzmanovimzakonom:

GGexex = = QsQs/4 . /4 . ππππππππ . R. R 2

gostota toplotnega toka (W/m2), ki ga na zunanji površini atmosfere sprejme Zemlja je enaka:

#6 Sončna energija

4

toploto, ki je uskladiščena v Zemljini notranjosti imenujemo geotermalna energija;

nastala je iz gravitacijske energije, katere del se je v času oblikovanja planetov v našem osončju pred okoli 4.5 milijardami let spremenil v začetno toplotno energijo;

vir geotermalne energije je radiogena toplota, ki nastaja ob razpadu naravnih radioaktivnih izotopov z dolgo razpolovno dobo predvsem urana U235 in U238, torija Th232 in kalija K40;

ocenjujemo, da se je do sedaj na tak način sprostilo približno 1/3 toplote, 2/3 pa jo bo z radioaktivnim razpadom še nastalo;

#6 Geotermalna energija

Toplota prehaja iz Zemljinega jedra (v Vesolje) s prevodom in konvekcijo:

v neprepustnih kameninah prevladuje prevod toplote, zaradi majhnih toplotnih prevodnosti kamenin povprečna gostota toplotnega toka le okoli 60 mW/m2 v granitnih kameninah in do 100 mW/m2 v bazaltnih kameninah;

s konvekcijo tekočin, kot so magma in geotermalne vode.

Geotermalne vode so pravzaprav meteorne padavine, ki prodirajo v porozne kamenine in se segrete zadržujejo v vodonosnikih -poroznih plasteh, ki se nahajajo med neporoznimi sloji kamenin.


5

1

3

2

2 4

6

5

5

Fourierov zakon:

Prenos toplote s konvekcijo geotermalnih vod

je bistveno intenzivnejši.


λ λ= ⋅ ⋅ ∆ − > = ⋅ ∆ = ⋅ ° = 22 W /mK

Q A T q T 50 10Cd d 1000

0mW /mm

Hipertermalna območja > 80 °C/km

Semitermalna območja 40 do 80 °C/km

Običajna geotermalna območja < 40 °C/km

19701970PredPred 18501850 19901990 2000 2000 in potemin potem

Primarni in edini vir

energije

#6 Vloga OVE skozi zgodovino

6

1. in2. naftna kriza

Rabaprimarneenergije

(1000 PJ)

150

225

300

2000195019001800 185017001700

75

DeležFG

Začenja se prevlada fosilnih goriv; naravna, neobnovljiva

Pri

mary

energ

y

(10

00

PJ)



energije


Problem poznan kot Hubbert’s peak

Matematična rešitev napovedi porabe naravnih neobnovljivih virov. Leta 1956 je napovedal, da bo vrh črpanja nafte v ZDA dosežen med leti 1965 in 1970.


7

1. in2. naftna

Varovanje okolja

Rabaprimarneenergije

(1000 PJ)

150

225

300

2000195019001800 185017001700

75

VsebnosCO

(ppm)

2

300

320

350

2000195019001800 185017001700

280

CO

2 (p

pm

)Pri

marn

a e

nerg

ija

(10

00

PJ)




energije

Sonaravni razvoj

environment

economy

society


1. in2. naftnakriza

Varovanje okolja


energije


8

Kako veliko površino v okolju potrebujemo za ohranjanje standarda bivanja ? (grajeno okolje - stavbe, ceste, oskrba z dobrinami – energija, snovi, hrana; asimilacija odpadkov) ?



Oskrba z energijo in asimilacija CO2

Grajeno okolje

Snovi, ravnanje z odpadki

Proizvodnja hrane

1Ek

olo

šk

e s

led

i p

reb

iva

lca

(ga

h/p

reb

.)

AU

T B

2

3

4

5

6

78

CZ

DK

ES

T

FIN F

GR

IRL I

LV LT H D

NL

NO

R PL

SL

KP

SL

O E S

CH

GBEkolo

ške s

led

i(g

ha/in

hab

it. a)


9

Velik potencial, ki daleč presega potrebe človeštva; brez geo-političnih ovir; enakomerno porazdeljeni;

Če izvzamemo biomaso in toploto shranjeno v oceanih, velja, da OVE niso stalni. To zahteva uporabo hranilnikov energije.

Toda: so okolju prijazni, zadostni za oskrbo človeštva in na voljo vsem od nas! Že danes poznamo tehnologije, nekatere so že danes ekonomične brez dodatnih subvencij. Njihova uporabo povezujemo z ustvarjanjem novih delovnih mest.

Časovno odvisni, nekateri težko napovedljivi (veter,..) in hitro spreminjajoči

Nizka gostota moči, velike in drage naprave

Enaka mehanska močkot motor v F1

#6 PRO in CONTRA P

rim

arn

i en

erg

ijaK

onč

na

ener

gija

Ko

rist

na

ener

gija

Sončno obsevanje, veter, vodna energija, biomasa ….,

Tekmujejo s fosilnimi gorivi in jedrsko energijo

Lahko uporabimo za delovanje naprav in sistemov.

V obliki toplote, električne energije in goriv. 0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Berlin

Bolog

na

Bruss

els

Copen

hage

n

Hanov

er

Helsink

i

Lond

on

End

-us

e o

f ene

rgy

(%)

Domestic Commercial

Industry Transport

Robni pogoji ….:

Raba energije v stavbah predstavlja 40% vse porabljene primarne energije v EU! Prevozna sredstva narekujejo obliko končne energije!

#6 Pretvarjanje OVE

Svetloba, mehansko delo, kinetična energija,…..

10

#6 Pretvarjanje OVE

OVE z različnimi tehnologijami pretvarjamo v vse oblike končne energije, ki jo potrebujejo sodobne družbe:

toploto

električno energijo

goriva (trdna, tekoča, plinasta)80% na temperaturnem nivoju do 250°C

#6 Sončna energija, pretvarjanje v toploto in električno energijo

Potencial sončne energije v Sloveniji

Sončno obsevanje med 1100 in 1380 kWh/m2 v letu ali 93.000 PJ na površini SLO. Sedanja poraba primarne energije je okoli 310

PJ. Tehnični potencial je ocenjen na 10.000 in 19.000 PJ na leto.

Kastelec D.; Rakovec J., Zakšek K.; Sončna energija v Sloveniji, SAZU 2007

Opomba:

Sončno sevanje – gostota toplotnega toka [W/m2]

Sončno obsevanje – gostota energije v nekem časovnem obdobju (ura, dan, mesec, leto) [Wh/m2leto, J/m2leto],

11

“pasivni sistemi”;

integrirani v stavbe

25°C 90°C 250°C

“aktivni sistemi”;ogrevalni sistemi

“visoko temperaturni sistemi”;

s koncentratorji

#6 Sončna energija, pretvarjanje v toploto

Naravno ogrevanje stavb(nizkotemperaturni solarni ogrevalni sistemi) Integrirani v ovoj stavb (okna, stekleniki, prezračevane fasade,..)

Aktivni solarni sistemi (srednje temperaturni solarni ogrevalni sistemi)Pretvarjajo sončno obsevanje v toploto s pomočjo sprejemnikov sončne energije in s prenosno tekočino prenašajo toploto v hranilnike toplote. Hranilniki so povezani s sistemi za segrevanje sanitarne vode ali ogrevalnimi sistemi.

Fotonapetostni sistemi (PV sistemi)Sončno obsevanje s pomočjo sončnih celic, ki jih povezujemo v module pretvarjajo v električno energijo.

Solar energy use in buildingsSolar energy use in buildingsSolar energy use in buildingsSolar energy use in buildings#6 Sončna energija v stavbah

12

Steklen pokrov

Absorber

Toplotna izolacija

Toplotnaizolacija

Cevi s prenosno tekočino

Ravni sprejemniki sončne energije se uporabljajo najpogosteje.

Nameščeni na ogrodje ali integrirani v strehe ali fasade stavb.

#6 Sončna energija v stavbah

IR emisivnostAbsorbtivnostsončnega sevanja

Idealniabsorber

Učinkovitost sprejemnikov sončne energije povečamo s selektivnim nanosom na absorberju (zmanjša se sevalni prenos toplote med močno segretim absorberjem in steklenim pokrovom.

αs 0,626 εIR 0,325

αs 0,835 εIR 0,368

αs 0,876 εIR 0,400

________ααααααααss

εεεεεεεεIRIR

S S = = 1 za običajno črno barvo20 za “šapijone”


13

Z zmanjšanjem tlaka v tesnem ohišju sprejemnika sončne energije zmanjšamo število molekul plinov in s tem možnost medsebojnih trkov. Če odstranimo vse molekule se toplota med absorberjem in steklenim pokrovom s konvekcijo ne prenaša. To močno izboljša učinkovitost pretvarjanja sončne energije. Toda absolutni podtlak mora bit manjši od 0,1 Pa. Zato vakuumske sprejemnike sončne energije gradimo iz steklenih cevi, ki so zadosti mehansko trdne.



Toploto lahko iz absorberja SSE na prenosno kapljevino prenašamo tudi s pomočjo toplotne cevi

Letno SSE proizvedejo med 400 (ravni, črni), 550 (selektivni) in 650 (vakuumski) kWh toplote na m2 površine.

14

Solarne ogrevalne sisteme uporabljamo predvsem za:

Segrevanje sanitarne tople vode (najpogosteje v enodružinskih stavbah, lahko tudi v večstanovanjskih in javnih, hotelih, kampih)

Ogrevanje stavb v kombinaciji z nizko-temperaturnimi sistemi (glej #11 Varčna raba energije v stavbah)

Za ogrevanje naselij s sistemom daljinskega ogrevanja na biomaso, kjer solarni ogrevalni sistemi proizvedejo dovolj toplote v poletnih

mesecih in kurjenje biomase ni potrebno.


Solarne ogrevalne sisteme lahko uporabimo tudi za solarno hlajenje ! Uporabljamo dva osnovna principa:

Binarne zmesi LiBr/voda, voda/amonjak) (absorbcijsko hlajenje), večje naprave se že uporabljajo tudi pri nas (Trgovski center TUŠ, Tehnološki center Brdo). S sprejemniki sončne energije proizvajamo toploto na temperaturnem nivoju 110 do 130°C, ki jo

potrebujemo za ločevanje snovi v procesu absorbcije.

Kot del klimatskih naprav v kombinaciji s hlapilnim navlaževanjem svežega zraka, ki ga dovajamo v stavbo. Pred navlaževanjem mora biti zrak primerno suh, zato ga sušimo s sušilnim kolesom. To je vrteče satovje, ki je prevlečeno z adsorbcijsko(trdno) snovjo, ki vsrka vodno paro, ki jo ponovno razvlažimo s sončno energijo.


Sušilno kolo, ki razvlažuje svež zrak, sušimo ga s pomočjo sprejemnikov sončne energije

Kompaktni absorbcijskihladilni sistem, hladilna moč5kW, temperatura hladilne vode 5-7°C

15

Nemčija

Avstrija

Španija

Francija

18 m2 na 1000 prebivalcev

41 m2 na 1000 prebivalcev4,3 m2 na 1000 prebivalcev



Število odobrenih subvencij

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

2002 2003 2004 2005 2006 2007

Leto

štev

ilo

sis

tem

ov

12.000 m2

#6 Solarni ogrevalni sistemi v Slovenji

#6 Proizvodnja elektriProizvodnja elektriProizvodnja elektriProizvodnja električčččne energije s sonne energije s sonne energije s sonne energije s sonččččno energijo no energijo no energijo no energijo

---- visokotemperaturni solarni sistemivisokotemperaturni solarni sistemivisokotemperaturni solarni sistemivisokotemperaturni solarni sistemi

Gostoto sončnega sevanja in s tem temperaturo absorberjalahko povečamo s zgoščevalniki (koncentratorji).

Z njimi uparjamo vodo in s paro proizvajamo električno energijo. To so toplotne solarne elektrarne.

Ker lahko zgostimo le direktno sončno sevanje, te elektrarne gradimo v okoljih z veliko “sončnimi urami” in nizko vlažnostjo ozračja.

Za zgoščevanje uporabljamo “zrcalna korita” ali heliostate (ravna zrcala), ki preusmerjajo sočno sevanje v stolp s prenosnikom toplote.

Tako dosežemo zgoščevanje ali koncentracijo sončnega sevanja 2000 do 4000 (sonc).

Koncentratorje sončnega sevanja uporabljamo tudi za razgradnjo okolju nevarnih snovi v nenevarne.

16

Shema elementov solarne toplotne elektrarne (STE) je podobna termoelektrarnam na fosilna ali jedrsko gorivo; namesto kotla ali reaktorja uporabljamo zgoščevalnike sončnega sevanja –elektrarna s paraboličnimi koriti)

Izgled zgrajene STE v Kramer Junction, ZDA, moči 354 MWe.



Elektrarna s heliostati ima zbiralni stolp v gorišču zrcal. Vsako zrcalo je računalniško vodeno in sledi soncu. EU načrtuje gradnjo takih elektrarn v puščavskem delu Španije.



Izgled zgrajene STE v Solar Two, ZDA, moči 354 MWe.

Za shranjevaje toplote na temepraturnem nivoju 290°C uporabljajo hranilnike s stopljeno soljo.

17

#6 Fotonapetostni sistemi

S fotonapetostnimi sistemi pretvarjamo sončno energijo v električno brez toplotnih strojev.

V večini primerov so izdelane iz silicija, ki mu dodamo 5 valentni fosfor (ustvari prosti elektronov, n-tip Si) in 3 valentni bor (ustvari vrzel, p-tip Si).

Ko tanka sloja n- in p- silicija združimo nastane na spoju napetostna bariera (ta je “odgovorna za potrebno napetost U, saj je eletrična močenaka P= U.I)

Za tok poskrbijo fotoni, ki svojo energijo prenesejo na elektrone v atolu Silicija, jih ločijo od jedra, ti pa za seboj pustijo (električno) vrzel. Napetostna ovira elektrone usmeri v zunanji električni vodnik, preko katerega se kasneje združijo z nastalimi vrzelmi. Večje ko je sončno sevanje, več prostih elektronov nastane in večji je električni tok oziroma moč sončne celice.

Največ sončnih celic je izdelanih iz silicija, ki je drug najbolj pogost kemijski element v zemeljski skorji.

Ker znamo izkoristiti le del razpoložljivih fotonov, imajo sončne celice še vedno relatino nizko učinkovitost. (najboljše med 10 do 15%).

Sončne celice so povezane v module, moduli pa v fotonapetosnesisteme.

tesnilo

zgornje steklo

enkapsulacijskosredstvo

sončne celice

zadnja plošča

nosilni okvir


18

Neposredni PV sistemi - sončne celice priključene neposredno na trošila. Primerni so v primeru, ko lahko trošila obratujejo praktično le pri jasnem vremenu (na primer prezračevanje, ki se prilagaja ali črpanje vode v obstoječi rezervoar,..)

PV sistemi z baterijami - električna energija se shranjuje v bateriji. PV sistemom dodamo polnilnik (preprečuje preveliko polnjenje (izguba elektrolita in korozija + poškodbe elektrod) in pregloboko praznjenje baterije (zmanjšanje št. ciklov polnjenja).


Sisteme z razsmernikom (angl. invertor) gradimo zaradi možne uporabe standardnih naprav AC, ~220V) in manjših vodnikov. Razsmernik je lahko samostojna enota, ki je povezana z moduli sončnih celic, baterijami in trošili, lahko pa je dodan posameznemu modulu.

PV sisteme z razsmernikom lahko povežemo na javno električno omrežje; tedaj jih imenujemo PV elektrarne.

Nazivna moč m2 velikega PV modula (navaja se kot vršna ali peak moč Wp - določena je pri sončnem sevanju 1000 W/m2 in temperaturi okolice 25°C) je ~ 150 Wp. Letno proizvedena količina električne energije pa 120 to 140 kWh per m2 PV modula.

Z zgoščevanjem sončnega sevanja (zgornji sliki levo) ali napravami za sledenje soncu (spodnja slika PV sistema na letališču Lesce) je mogoče povečati proizvodnjo električne energije do 60%.

V vseh državah EU je odkup električne energije proizvedene s PV sistemi (in drugimi OVE) subvencioniran. V Sloveniji smo sprejemi metodo odkupne cene “feed-in tarife” , ki trenutno znaša ~ 0,4 €/kWh (cena za gospodinjstva je 0,08 €/kWh).


19

Biomasa je naravna organska snov, ki nastaja s procesom fotosinteze. Pri tem organska snov nastaja s pomočjo sončne energije, CO2, ki ga rastline črpajo iz zraka in

hranilnih snovi, ki jih rastline črpajo iz tal.

Sežiganje biomase, ki je najbolj razširjena energetska tehnologija ko uporabljamo biomaso, je CO2 nevtralno(vsaj tak je dogovor), saj so enako količino CO2 rastline

porabile pri fotosintezi.

Izkoristek fotosinteze je nizek (0,2% to 5% alge), zato bi potrebovali (pre)velike površine za popolno zamenjavo

fosilnih goriv:

#6 Biomasa

za razgradnjo 1 mola (v njem je Avogadrovo število =6,022 . 1023 molekul) CO2 potrebujemo 470 kJ

za razgradnjo ene molekule CO2 rastline “porabijo”energijo 9 fotonov rdeče svetlobe (λ ~ 700 nm), torej za 1

mol 1533 kJ;

le 43% energijski del sončnega obsevanja ima primerne valovne dolžine, da lahko sodeluje pri fotosintezi in le okoli

80% tega sevanja rastline absorbirajo,

V nočnem času rastline za lastno oskrbo z energijo porabijo 30% proizvedene organske snovi.

#6 Biomasa

ηηηη~30%

ηηηη~30%.43%.80%~ 10%

ηηηη~7%

V naravi med 0,2% do 1-2% (sladkorna pesa, evkaliptus) od 3-4% C4 rastline (energetske rastline).

20

Sežiganje ali oksidacija je postopek, ko gorljive snovi v biomasi oksidirajo v CO2 in vodno paro …… Reakcija je eksotermna, torej se sprošča toplota. To je danes najpomembnejši in najučinkovitejšo način uporabe biomase v energetske namene. Primerno le v sodobnih kurilnih napravah !

Sveže posekan les ima 50 - 60% vlažnost (listavci, iglavci) in kurilnost 7 do 8 MJ/kg, suh les (0% vlage) pa kurilnost 19 MJ/kg (kurilno olje 42 kJ/kg). Les, ki ga kurimo naj bi imel vlažnost pod 30% vlage - sušimo naravno 1 leto ali sežigamo v kurilnih napravah, kjer se najprej osuši in nato zgori (toda za sušenje porabimo del sproščene toplote).

Pri večjih napravah dimne pline čistimo s cikloni in elektro filtri.

#6 Biomasa – pretvarjanje v toploto

#6 Biomasa – trdna goriva

Mehanski postopki – s sortiranjem, razrezom in stiskanjem izdelamo trdna goriva, ki povzročajo pri kurjenju nižje emisije in omogočajo lažji transport do uporabnikov)

Lesne sekancepripravljamo iz še vlažne lesne biomase in njenih ostankov v sistemih daljinskega ogrevanja na biomaso; uporabljamo tudi balirane ostanke kmetijskih rastlin (ne v SLO).

Pelete izdelujemo iz suhe lesne biomase. Skladiščimo jih v zalogovnikih, da se ne navlažijo. Razvili so logistiko oskrbe, ki je podobna kot pri kurilnem olju. Kurilne naprave delujejo samodejno –zagon, doziranje goriva, odstranjevanje pepela,..

21

Dve gorivi iz biomase sta še posebej zanimivi – bioetanol (nadomestilo za fosilni bencin) in biodizel.

5.75 % (V, 5% E) delež biogoriv do 2010.(Directive 2003/30/EC o biogorivih v cestnih vozilih),

10% do 2020.

V manjših deležih jih lahko dodajamo fosilnim gorivom brez sprememb (npr. E5 – s 5% deležem bio-

etanola; najbolj razširjen E85, ki vsebuje le 15% fosilnega bencina).

Bioetanol izdelujemo iz rastlin, ki vsebujejo sladkor s pomočjo bioloških -fermentacija (kvasovke sladkor v rastlinah spreminjajo v alkohol) in toplotnih

procesov (z destilacijo ločimo alkohol in vodo). (I. generacija, hrana)

II. generacija iz odpadne lesne biomase s predhodnjo razgradnjo

#6 Biomasa – tekoča goriva

Načrtovana proizvodnja bioetanola

Biodizelsko gorivo izdelujemo s stiskanjem semen ogrščice, sončnic, kokosa,… ali iz odpadnega kuhinjskega olja (bolje, toda manjše količine)

Rastlinsko olje uporabljamo ob manjši prilagoditvi (je bolj viskozno (v napeljavi

potrebujemo grelnik) in bolj agresivno (zamenjava gumijastih tesnil).

Z metanolom in KOH ga predelamo v dizel, ki ima enake lastnosti zgorevanja kot fosilni dizel.

Je pa biološko razgradljivo in zato manj nevaren ob iztekanju.

#6 Biomasa – tekoča goriva

Pri nas nekaj manjših proizvajalcev ~ 100 t/a

22

CH4

70 %

CO2

2 4%

H2

2%

CO

1 %H2S

1%

N2

2%

Plinasta goriva iz biomase pridobivamo z biološkim procesom v okolju brez prisotnosti kisika (anaerobni proces). Kot surovino

uporabljamo živalske ali komunalne (mestne odpadke) odpadke v napravah, ki so del čistilnih naprav odpadnih vod ali

na odlagališčih komunalnih odpadkov.

V obeh primerih mikroorganizmi “pojejo” ostanke hrane in pri tem izločajo pline, ki jih imenujemo bioplin ali deponijski

plin. Sestavljata ga pretežno CO2 in metan CH4.

#6 Biomasa – plinasta goriva

Digestor na kmetiji Nemščak (levo sredaj) kjer pri tem ~ 30 do 35°C poteka biološka razgradnja na kmetiji ; plinohran (desno spredaj, kjer se bioplin skladišči).

Pripravljeno polje odlagališča za komunalne odpadke s cevni za odplinjanje; na odlagališču Barje v Lj. Z deponijskimplinom poganjajo motorje batne motorje in proizvajajo električno energijo.

57%+ površja Slovenije pokrito z gozdovi

Trenutno najpomembnejši OVE, prispeva 4% v oskrbi s primarno energijo. 50 to 70% letnega prirastka že

izkoriščamo.

Kljub temu omejen potencial (~ 60 PJ leto), torej le eden od OVE.

Več kot 20 sistemov daljinskega ogrevanja s toplotno močjo 500 kW in 6 MW. Vsaj 8 študij izvedljivosti.

V industriji in javnem sektorju deluje 40 kogeneracijskih sistemov, “feed-in tarifa” je med 6,45 to 6,7 €c/kWhe

Proizvodnja tekočih goriv sproža etične pomisleke in pritiske na ceno hrane, saj je njihova proizvodnja bolj subvencionirana kot

proizvodnja hrane.

Delež gozdov v različnih regijah

#6 Biomasa – potencial v SLO

Eden od prvih sistemov daljinskega ogrevanja

na biomaso je bil izdelan v Preddvoru. V kombinaciji s solarnim ogrevalnim sistemom v

DSO porabljajo le “zeleno” toploto.

23

Za Slovenijo je značilen semitermalni geotermalni potencial (slika levo –

temprature na globini 1000m)

SV Slovenija, Krško-Brežiško polje, Celjska kotlina, Ljubljanska kotlina, Slovenska Istra So področja z večjim geotermalnim potencialom.

Za oskrbo s toploto uporabljamo (ogrevanje dela M.Sobote, zdravilišča) vodonosnik TERMAL I, 1 km

pod površjem, geotermalna voda s temperaturo 5050°°CC

Za proizvodnjo električne energije vodonosnik TERMAL II, 3 to 4 km pod površjem,

geotermalna voda s temperaturogeotermalna voda s temperaturo 170170°°CC

Z naravnimi in umetnimi vrelci (izdelamo vrtine in geotermalno vodo črpamo na površje zagotovimo v

SLO 0,62 PJ letno.

Uporabo GE s toplotnimi črpalkami bomo obravnavali v poglavju o varčni rabi energije v stavbah!

80oC

70oC

60oC

50oC

40oC

30oC

20oC


Geotermalno energijo na dva načina – s hlajenjem geotermalnih

vod ali hlajenjem vročih kamenin.

Geotermalne vode so del naravnega vodnega kroga in na površje

prihajajo v obliki vode, zmesi vode in pare ali kot para. Vrelci so bodisi naravni ali pa vodo črpamo. Po ohladitvi jo z “reinjektiranjem”

vračamo v vodonosnik.

Hlajenje vročih kamenin ni sicer ni tako razvito, vendar zaradi večjih

globin na kateri izdelamo “umetni”vodonosnik v neporozni kamenini

imajo večji potencial.Uporabljamo jih za proizvodnjo

električne energije.


Del Pariza (na zgornji sliki), pa tudi M. Sobote ogrevajo z GE. V M. Soboti vodo ne reinjektirajo.

24

Ponekod, predvsem na ob stikih tektonskih plošč, so temperature v vodonosniku tako visoke, da na površje prihaja vodna para. Naravi take geotermalne vrelce imenujemo gejziri.

Na teh področjih gradimo geotermalne elektrarne (GE).Geotermalni vodi, ki jo črpamo na površje znižamo tlak, da se upari, paro pa vodimo v parne turbine. NZ. J, ZDA, FIL in Islandija so države z GE.

Nam najbližja GE je Larderelu (IT). Pri nas naj bi dve GE (2 . 5 MW) zgradili v Ljutomerju.


flasher - uparjalnik

hladilni stolpturbini 2 . 30MW

Stodverhus Ge, S Islandija

Veter je posledica segrevanja ozračja in vrtenja Zemlje. Izkoriščanje energije vetra za proizvodnjo električne energije je postalo v zadnjih dveh desetletjih ena od

najuspešnejših tehnologij izkoriščanja OVE.

Vetrnice z vodoravno in navpično osjo vrtenja rotorja.

Za proizvodnjo električne energije uporabljamo dvo- in tri krake vetrnice z vodoravno osno vrtenja rotorja. Pri tem izkoriščamo dejstvo, da hitrost vetra narašča v oddaljenostjo od

površja.

#6 Izkoriščanje energije vetra

25

Sodobne vetrnice so visoke do 150 m in imajo električno moč

do 5 MW.

Največja učinkovitost vetrnic in izkoristek pretvarjanja energije vetra je omejena z Betzovim

koeficientom (0,597). Diagram prikazuje izkoristek različnih vetrnic (rotorjev) glede na hitrostno število λ. To je

razmerje med obodno hitrostjo na vrhu lista in hitrostjo vetra.

Za sodobne hitrotekočevertnice je značilno hitrostno

število 4 od 6.

eff

icie

ncy

1980

10m

20m

30m

40m

50m

60m

70m

80m

90m

100m

1990 1993 1998 2005?1999

φ90m 3MW

φ60m1.3M W

φ70m1.7M W

φ40m0.5M W

φ25m200kW

φ16m60kW

φ6m>20kW

Razvoj velikosti vetrnic

#6 Izkoriščanje energije vetra

Za napoved delovanja potrebujemo urne podatke o hitrosti vetra. V kolikor ti za

želeno lokacijo niso na voljo, lahko časovno porazdelitev hitrosti vetra izračunamo s

pomočjo Rayleighjeve porazdelitvene funkcije p(v) na osnovi poznane povprečne letne

hitrosti vetra v.

Vodilo:Povprečna letna hitrost vetra v 7 do 8 m/s

zagotavlja zelo ekonomično proizvodnjo električne energije.

Verj

etn

ost

p(v

)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

v (m/s)

v=

p

v=

v=

v=

v=2m/s

v=4m/s

v=6m/s

v=8m/s

#6 Napoved delovanja vetrnic

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

v (m /s )

p(v)izmerjeno

Rayleighjeva funkcija v=2.8m/s

Primerjava letnih izmerjenih hitrosti in funkcija p(v) izračunana na podlagi povprečne letne

hitrosti vetra v za letališče v Mariboru.

26

Vse vetrrnice, ki jih uporabljamo za proizvodnjo električne energije imajo podobno obratovalno karakteristiko. Na njej je označena:vklopna hitrost,področje hitrosti kjer vetrnica deluje z nazivno močjo inizklopna hitrost; če je hitrost vetra večja od izklopne hitrosti, se vetrnica ustavi.

Ekonomičnost delavanja je odvisna od števila ur, ko vetrnica deluje z nazivno močjo (> 1200 ur na leto). Na odprtem morju so hitrosti vetra večje kot na kopnem.

Moè

vet

rnic

e v

odv

isno

sti o

d hi

tros

ti v

etra

v (

kW)

Hitrost vetra (m/s)

0

0 208 284 241612 32

50

100

150

200

250

300

imenska moè vetrnice

izklopna hitrost vetra

vklopnahitrost vetra

#6 Napoved delovanja vetrnic

Cena kWh električne energije v odvisnosti od letnega števila ur ko vetrnica deluje z nazivno močjo in cene za instaliran

kW električne moči vetrnice.

(Izkoriščanje vetra) v Sloveniji

Potencial ni poznan podrobno. Na nekaterih lokacijah je eno od

distribucijskih podjetij več let opravljalo meritve.

Izbrana “Volovja reber” povprečna letna hitrost 7,5 m/s 15 m nad tlemi.

(delovanje vetrnic 1600-1900 h na leto z nazivno močjo).

Lokacija naknadno izvzeta iz področja Natura 2000, nasprotovanja

ornitologov in okoljevarstvenikov ( oz “okoljevarstvenikov”).

#6 Potencial vetra v Sloveniji

27

Dolga tradicija uporabe vodne energije (žage, mlini, transport). V eni od diplom je vaš kolega našel 400 takih lokacij na povodju Sore.

Prva HE zgrajena 1914, sedaj deluje preko 4000 malih HE (< 10 MW) s skupno nazivno močjo 76 MWe. Delež MHE okoli 10%.

Več o HE pri drugih predmetih (npr. Turbinski stroji)

Polovica izkoristljivega potenciala že izkoriščena

#6 Vodna energija

Vrsta drugih tehnologij, kot na primer izkoriščanje valov, vodikove tehnologije, ki

pa so manj pomemben za Slovenijo ali tehnološko nedozorele. Bodo pa

predstavljene pri predmetih v smeri Energetika in procesno strojništvo.

#6 Namesto zaključka ….

28

Kaj so obnovljivi viri energije ?

Katere značilnosti OVE poznate ?

Kratko opišite tehnologije za proizvodnjo toplote iz OVE ?

S katerimi tehnologijami pretvarjamo sončno energijo v električno ?

Opišite potencial geotermalne energije v SLO in kako GE izkoriščamo ?

Naštejte biogoriva in kratko opišite kako jih proizvajamo !

#6 Možna izpitna vprašanja

energija in okolje - laboratorij · pdf file4 toploto, ki je uskladiščena v zemljini...

Documents