1

OPĆA ENERGETIKA 1

Doc. dr. sc. Ranko Goić, dipl. ing. el.šk.god. 2006/2007

OPĆA ENERGETIKA

Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje SplitZavod za elektroenergetikuKatedra za električne mreže i postrojenja

OPĆA ENERGETIKA 2

Sadržaj predmeta

• Izvori i oblici energije• Primarni, transformirani i korisni oblici energije• Rezerve, vrste, osnovne karakteristike i pretvorbe neobnovljivih izvora energije• Vrste, osnovne karakteristike i pretvorbe obnovljivih izvora energije• Energetske bilance• Energetika i okoliš• Cijene i raspoloživost energenata• Energetska efikasnost i racionalno korištenje energije• Umreženi energetski sustavi (el. energija, prirodni plin i centralizirani toplinski sustavi)• Principi tarifnih sustava u energetici• Planiranje i gospodarenje u energetici (?)• Zakonska regulativa (?)

2

OPĆA ENERGETIKA 3

Literatura

PREDAVANJA NA INTERNETU:www.fesb.hr/~rgoic/oe/oe.html

B. Udovičić: Osnove energetike, ŠK Zagreb, 1991.B. Udovičić: Energija, društvo i okolina I, II, IV, Građevinska knjiga Beograd, 1988 H. Požar: Osnove energetike I, II, III, ŠK Zagreb, 1976.V. Paar: Energetska kriza: gdje (ni)je izlaz, Građevinska knjiga Zagreb, 1984. (?)

OPĆA ENERGETIKA 4

Snaga & energija

Energija je: - sposobnost vršenja rada na račun dovedene energije, ili- akumulirani rad ili sposobnost sustava da kroz odrđene procese obavi rad ili preda

toplinu

α⋅⋅=⋅= cosdsFdsFdW

Snaga: brzina korištenja energije ili transformacije jednog oblika energije u drugi

dtdWP =

Osnovne SI jedinice:Energija:

Snaga:

)smkg(mNJ 22 −⋅=

)smkg(sJW 321 −−⋅=

∫ ⋅= 2

1

t

tdt)t(PW

3

OPĆA ENERGETIKA 5

Ostale jedinice za energiju

Btu (British thermal unit): 1 Btu = 1055,06 J, 1 kWh = 3412 Btu

OPĆA ENERGETIKA 6

Ostale jedinice za snagu

4

OPĆA ENERGETIKA 7

Primjer 1: Koliko dnevno kWh pojedemo ako jedemo samo Milka čokolade za podmirenje energetskih potreba ?

Rješenje:• 1 milka od 100 g sadrži 505 kcal energetske vrijednosti• prosječno nam treba oko 2000 kcal energije dnevno

__________________________________________• 2000/505 = približno 4 čokolade• Iz tablica konverzije: 1 kWh = 859,8 kcal• 2000 kcal = 2000/859,8 kWh = 2,33 kWh____________________________________• Usporedba: toliko nam otprilike treba za 1 sat grijanja prostorije od 20m2

OPĆA ENERGETIKA 8

Primjer2 : a) Koliko treba litara vode iz akumulacije Peruča da bi se proizveo 1 kWh električne energije u nizvodnim elektranamab) koliko kuna ima u punoj akumulaciji Peručac) Koliki je energetski ekvivalent pune akumulacije Peruča preračunat u Milka čokolade

Potrebni ulazni podaci:- iz pune akumulacije Peruča (potencijalna energija vode) može se proizvesti 400 GWh električne energije- puna akumlacija Peruča sadrži 541x106m2 vode = 541x109 l vode- prosječna cijena proizvodnje električne energije je 0,3 kn/kWh

Rješenje:a) - 400 GWh = 400x106 kWh (u akumulaciji)

- 541x109 l / 400x106 kWh = 1353 l/kWh = 1,353 m3/kWhb) - ako je cijena proizvedene el. en. 0,3 kn/kWh to znači da 1353 l vode u Peruči vrijedi 0,3 kn,

a vrijednost pune akumulacije je 541x109 (l) x 0,3 (kn/kWh) / 1353 (l/kWh) ~ 120.000.000 knc) - 400 GWh = 400x106 kWh (u akumulaciji)

- 1 Milka 505 kcal/1čokolada = 505 (kcal/1čokolada )/859,8 (kWh/kcal) = 0,59 kWh/1čokolada- 400x106 (kWh)/ 0,59 (kWh/1čokolada)= 678x106 čokolada u Peruči

5

OPĆA ENERGETIKA 9

Pojavni oblici energijeDva osnovna oblika:

A) NAGOMILANIB) PRIJELAZNI – javlja se u slučajevima kad nagomilani oblik energije prelazi iz

jednog oblika u drugi (energetske transformacije)

ENERGIJA

NAGOMILANA PRIJELAZNA

UNUTRAŠNJAPOTENCIJALNAKINETIČKA

KEMIJSKATERMIČKA NUKLEARNA ZRAČENJE

OPĆA ENERGETIKA 10

Energetske pretvorbe

1 energija dovedenagubicienergijavedenado energija dovedena

energija bivenado <−==η

Stupanj djelovanja pretvorbi:

PRIMARNI OBLICI ENERGIJE

KORISNI OBLICI ENERGIJE

PRETVORBENI OBLICI ENERGIJE

6

OPĆA ENERGETIKA 11

Primarni oblici energijesu oni oblici koji se nalaze ili pojavljuju u prirodi (nekada se zovu i prirodni oblici energije).Obično se dijele prema slijedećim kriterijima:

A) Obnovljivost:

1. Neobnovljivi izvori energije – nafta, ugljen, zemni plin, uljni škriljci, nuklearna goriva, Zemljina unutrašnja toplina

2. Obnovljivi izvori energije – drvo i otpaci, biomasa, bioplin, vodne snage, energija vjetra, energija plime i oseke, energija morskih struja i valova, toplina mora, energija Sunčeva zračenja

Napomena:Bliska podjela prema kriteriju obnovljivosti je podjela na tzv. konvencionalne i nekonvencionalne oblike energije, te podjela na klasične i alternativne oblike energije.Ove podjele uglavnom odgovaraju podjeli na neobnovljive i obnovljive (eventualno s izuzetkom energije vodnih snaga)

OPĆA ENERGETIKA 12

B) Tehno-ekonomskim mogućnostima iskorištavanja:

1. Izvori energije za koje nije tehnički rješen način iskorištavanja – unutrašnja toplina Zemlje (dio koji ne izlazi na površinu u obliku vrućih izvora), fuzija, morske struje i valovi

2. Izvori energije za koje je tehnički rješen način iskorištavanja, ali nije ekonomski isplativo – uljni škriljci, toplina mora, Sunčevo zračenje, vjetar, plima i oseka.

3. Izvori energije za koje je tehnički rješen način iskorištavanja, uz ekonomsku isplativost – ugljen, nafta, plin, drvo i otpaci, biomasa, bioplin, fizija, vrući izvori, vodne snage

Napomena:Navedena podjela između 2. i 3. grupe nije uvjek točna, ovisno o lokaciji izvora energije, njihovim karakteristikama, količini, blizini potrošača i sl.Naime, vrlo često se događa da energenti 3. grupe nisu isplativi, ali ima i slučajeva kad su neki iz 2. grupe ipak isplativi.

Npr. - ako na nalazištu nekog goriva (plin, ugljen, nafta) nema velikih količina ili je daleko od mjesta upotrebe.- iskorištavanje energije sunca i energije vjetra na pogodnim lokacijama može biti isplativo

7

OPĆA ENERGETIKA 13

C) Prema fizikalnim svojstvima, primarni oblici energije mogu se podijeliti na nosioce:

1. Kemijske energije – drvo i otpaci, ugljen, sirova nafta, zemni plin, uljni škriljci, biomasa, bioplin

2. Nuklearne energije – nuklearna goriva

3. Potencijalne energije – vodne snage, plima i oseka

4. Kinetičke energije – vjetar, energija morskih struja i valova

5. Toplinske energije – geotermička, toplinska energija mora

6. Energije zračenja – Sunčevo zračenje

OPĆA ENERGETIKA 14

Primjer: ukupna svjetska potrošnja primarnih oblika energije (Izvor: International EnergyOutlook, 2002).

8

OPĆA ENERGETIKA 15

Pretvorbeni oblici energijesu oni oblici koji se određenom energetskom transformacijom dobiju iz primarnih oblika, ali se u takvom obliku ne koriste, već se dalje pretvaraju u korisne oblike energije.Jasno, postoji i varijanta direktne pretvorbe primarnih oblika energije u korisne oblike.

Najčešći oblici pretvorbe primarnih oblika energije u pretvorbene:

1. Isplinjavanje – pretvorba ugljena kojoj je glavni krajnji produkt koks

2. Rasplinjavanje – pretvorba ugljena u plinove

3. Izgaranje – pretvorba kemijske energije u toplinsku energiju

4. Destilacija – pretvorba sirove nafte u derivate

5. Degazolinaža – odvajanje lakih od teških ugljikovodika (prerada naftnog plina)

6. Nuklearne reakcije – pretvorba nuklearne energije u unutrašnju (toplinsku) energiju

7. Turbinske pretvorbe – pretvorbe potencijalne i kinetičke energije u mehanički energiju

8. Zračenje – pretvorba sunčevog isijavanja u toplinsku ili električnu energiju

OPĆA ENERGETIKA 16

Korisni oblici energijesu oni oblici koje koriste potrošači za neposrednu primjenu.

Dijele se na :

1. Toplinsku energiju (osigurava se parom i vrelom vodom, izgranjem u ložištima i električnom energijom)

2. Mehaničku energiju (osigurava se električnom energijom, toplinskom energijom, potencijalnom i kinetičkom energijom)

3. Kemijsku energiju (osigurava se električnom enrgijom, koksom itd.)

4. Energiju za rasvjetu i napajanje elektroničkih uređaja

9

OPĆA ENERGETIKA 17

Neobnovljivi izvori energije

Fosilna goriva1. Ugljen

2. Nafta

3. Zemni plin

4. Nuklearna goriva

5. Uljni škriljci

6. Zemljina unutrašnja toplina

Rezerve neobnovljivih izvora energije1. Iskoristive rezerve – rezerve koje se mogu iskorištavati uz današnje ekonomske i

tehničke uvjete

2. Poznate rezerve – rezerve za koje se može pretpostaviti da se nalaze u zemljinoj kori, a utvrđuju se na osnovu kvaliteta i debljina slojeva

3. Ukupne (geološke) rezerve – se procjenjuju na osnovu poznavanja geoloških uvjeta i sličnosti s poznatim nalazištima

OPĆA ENERGETIKA 18

Rezerve ugljena (sve vrste)

Ukupne rezerve: 984*109 t Potrošnja (1999): 4,4*109 t

0

50

100

150

200

250

Potro

šnja

(199

9)

Oce

anija

i N

. Zel

and

Ost

atak

Afri

ke

Kana

da, M

eksi

ko

Ost

atak

Azi

je

Južn

a Am

erik

a

Kaz

ahst

an

Južn

a Af

rika

Nje

mač

ka

Aust

ralij

a

Indi

ja

Ost

atak

Evr

ope

Kina

Rus

ija

USA

milj

ardi

tona

Ukupne rezerve Hrvatska (?): 39*106 t Potrošnja Hrvatska (1999): 0,37*106 t

10

OPĆA ENERGETIKA 19

Rezerve sirove nafte i NGL-a

Ukupne rezerve: 141*109 t Potrošnja (1999): 3,5*109 t

0

510

15

20

2530

35

40

Pot

rošn

ja (1

999)

Uku

pno

Oce

anija

Ost

atak

Sje

vern

a A

mer

ika

Ost

atak

Juž

na A

mer

ika

Bra

zil

Alž

ir

Ost

atak

Evr

ope

Nor

vešk

a

Ost

atak

Afri

ke

Ost

atak

Blis

ki Is

tok

Nig

erija

Ost

atak

Azi

je

US

A

Mek

siko

Libi

ja

Kin

a

Rus

ija

Ven

ecue

la

Iran

UA

E

Kuv

ajt

Irak

S. A

rabi

ja

milj

ardi

tona

Ukupne rezerve Hrvatska (?): 0,011*109 t Potrošnja Hrvatska (1999): 0,0052*109 t

OPĆA ENERGETIKA 20

Rezerve prirodnog plina

Ukupne rezerve: 151.502*109 m3 Potrošnja (1999): 2.388*109 m3

05000

100001500020000250003000035000400004500050000

Pot

rošn

ja (1

999)

Oce

anija

Ost

atak

Juž

na A

mer

ika

Indo

nezi

ja

Mal

ezija

Turk

men

ista

n

Irak

Ost

atak

Blis

ki Is

tok

Ost

atak

Sje

vern

a A

mer

ika

Ost

atak

Afri

ke

Nig

erija

Vene

cuel

a

Alž

ir

USA

S. A

rabi

ja

Ost

atak

Evr

opa

UA

R

Ost

atak

Azi

ja

Kat

ar

Iran

Rus

ija

milj

ardi

kub

nih

met

ara

Ukupne rezerve Hrvatska (?): 34*109 m3 Potrošnja Hrvatska (1999): 2,7*109 m3

11

OPĆA ENERGETIKA 21

Procjena trajanja neobnovljivih izvora energije

Udio fosilnih goriva u ukupnim zalihama:

Ugljen – 65%

Nafta – 19%

Plin – 16%

Procjena trajanja:

Smeđi ugljen – 513 g.

Kameni ugljen – 151 g.

Nafta – 44 g.

Plin – 66 g.

Uran – 40 g.

Napomene:

- ove procjene su uvijek vrlo nepouzdane

- najveća je nepoznanica koliko ima neutvrđenih rezervi

- npr. prije 30-tak godina se računalo s otprilike istim rezervama nafte kao i danas

- problem je i s procjenama razvoja novih tehnologija

- npr. prije 30-tak godina se predviđalo da će se za 30 godina tehnološki riješiti način iskorištavanja energije fuzije (danas samo optimisti vjeruju da će se riješiti prije 30 godina)

OPĆA ENERGETIKA 22

UgljenOsnovne karakteristike:

Ogrijevna moć (gornja): količina topline koja se oslobodi izgranjem 1 kg ugljena uz uvjet da se produkti izgranja ohlade do temperature koju su gorivo i zrak imali prije izgaranja, pri čemu se pretpostavlja da se sva vodena para kondenzirala.

Jedinica: MJ/kgKoličina sumpora (i ostalih kemijskih elemenata i spojeva)Količina hlapljivih sastojakaKoličina ugljikaKoličina pepela

Osnovne vrste ugljena:

Kameni ugljen i antracit: ogrijevna moć > 23,7 MJ/kg (ili 29,3 ovisno o klasifikaciji), maximalno do ~ 38 MJ/kg

Mrki ugljen: 12,56 MJ/kg < ogrijevna moć < 23,7 MJ/kg (ili 29,3)Lignit: ogrijevna moć < 12,56 MJ/kg, minimalno do ~ 7,5 MJ/kg(treset – ogrijevna moć 6,3-8,4 MJ/kg)(drvo – ogrijevna moć ~15 MJ/kg)

12

OPĆA ENERGETIKA 23

Način pridobivanja:

Jamska ili podzemna eksploatacijaPovršinska eksploatacija

- način iskorištavanja ugljena ovisi prvenstveno o karakteristikama nalazišta (količina, debljinasloja, količina jalovine i dubina nalazišta), te kvaliteti ugljena, tj. o ukupnoj ekonomičnosti

- za ugljen lošije kvalitete (manje ogrijevne moći) najčešće se ne isplati podzemna eksploatacija bez obzira na utvrđenu količinu- podzemnu eksploataciju otežavaju prvenstveno plinovi (metan)

Cijene ugljena:

a) Niže su u odnosu na druge energente (ukoliko se uspoređuje za primjenu u kojoj su moguće različite vrste goriva). Za proizvodnju električne energije se uspoređuje cijena promatranog

goriva u odnosu na količinu dobivene toplinske energije u termoelektrani ($/GJ). Npr. 4 $/GJ za prirodni plin

1,7 $/GJ za kameni ugljen0,26 $/GJ za nuklearno gorivo

b) Stabilnije su u odnosu na cijene nafte i prirodnog plina, prvenstveno zbog veće disperzije proizvođača

OPĆA ENERGETIKA 24

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1970

1971

1972

1973

1974

1975

1976

1977

1978

1979

1980

1981

1982

1983

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

$/10

6 Btu

Ugljen

Prirodni plinNaftaNuklearna goriva

Usporedba cijena

13

OPĆA ENERGETIKA 25

Nafta i zemni plin

OPĆA ENERGETIKA 26

• Sirova nafta i zemni plin su smjese različitih ugljikovodika, s primjesama dušika, kisika, sumpora i ostalih kemijskih elemenata.

• Glavni sastavni dio nafte su naftenski ugljikovodici (cikloparafini), te u manjim količinama parafinski ugljikovodici (alkani) i aromatski ugljikovodici.

• U nalazištima nafte redovito se pojavljuje i zemni plin.• Nafta se vadi pomoću bušotina koje mogu biti na kopnu i moru, a ostvaruje se na tri

načina:- prirodnom erupcijom,- pomoću dubinskih crpki- podizanjem plinom (utiskivanjem plina smanjuje se gustoća nafte a onda i tlak, što omogućava djelovanje kao kod eruptivnog nalazišta)

• Do postrojenja za preradu (rafinerija), nafta se dovodi:- naftovodima- brodskim i željezničkim prijevozom

• Osnovni derivati nafte su: rafinerijski plin, ukapljeni plin, benzini, petrolej, plinska ulja, loživa ulja i neenergetski produkti (maziva, motorna ulja, kruti produkti).

• Tekuća goriva – produkti destilacije nafte imaju brojne tehnološke prednosti u odnosu na kruta goriva (npr. ugljen): veća toplinska vrijednost, bolje miješanje sa zrakom i potpunije izgaranje, sadrže manje pepela i vode, itd.)

14

OPĆA ENERGETIKA 27

• Zemni plin sastoji se od metana, etana, propana, butana, manjim dijelom pentana, heksana i viših ugljikovodika, te ostalih primjesa (dušik, ugljični dioksid, sumporni dioksid, helij itd.)

• Ukoliko se plin nalazi zajedno s naftom, u njemu se redovito nalaze određene količine viših ugljikovodika koje su pri normalnoj temperaturi u tekućem stanju (NGL –naturalgas liquids)

• Eksploatira se kao i nafta, bušotinama na kopnu i moru.• Do potrošača ili postrojenja za preradu, plin se dovodi:

- plinovodima- transportom u ukapljenom stanju (zauzima ~600 puta manje prostora u odnosu na plinovito stanje):

LNG - liquified natural gas (UPP – ukapljeni prirodni plin)LPG - liquified petroleum gas (UNP – ukapljeni naftni plin)

• Plinovita goriva imaju brojne prednosti u odnosu na tekuća a pogotovo u odnosu na kruta goriva: pri izgaranju ne ostavljaju krute ostatke ni pepeo, manje su količine štetnih otpadnih plinova, bolje se miješaju sa zrakom, jednostavnija je izvedba plinskih ložišta, lakša je regulacija izgaranja, itd.

OPĆA ENERGETIKA 28

Uljni škriljci i bituminozni pijesak

• Uljni škriljci su sedimentno stijenje s određenom količinom raspršenih organskih tvari –ugljikovodika.

• Bituminozni pijesak je smjesa pijeska, mineralnih materijala i bitumena.• Uljni škriljci najčešće se nalaze neposredno ispod površine tla u slojevima, slično kao

ugljen.• Za razliku od nafte i plina, ugljikovodici u uljnim škriljcima i bituminoznom pijesku su

u krutom stanju, pa je eksploatacija otežana (potrebna je rafinacija i odjeljivanje ulja).• Drugi je problem u maloj količini ulja u ukupnoj količini rude (raspon od nekoliko litara

do nekoliko stotina litara po toni), pa je iskorištavanje najčešće ekonomski neopravdano. Zbog toga ni rezerve ovih energenata nisu dobro utvrđene osim na nalazištima s većim udjelom ulja (Estonija, Kanada).

• Odjeljeno ulje se mora dalje prerađivati, najčešće u sintetičku sirovu naftu, pri čemu dolazi do ispuštanja većih količina štetnih plinova na bazi sumpora i dušika.

15

OPĆA ENERGETIKA 29

Nuklearna goriva

• Prirodna nuklearna goriva za fisiju:- Uran (U-235) - Torij (Th-232)

• Uran i torij dobivaju se iz ruda koje moraju imati određeni postotak urana odnosno torijada bi se eksploatacija ekonomski isplatila (postotak urana u rudi je najčešće ispod 0.1%).

• Za fisiju se koriste i umjetna nuklearna goriva:- Uran U-233 (dobiva se iz Th-232)- Plutonij Pu-239 (dobiva se iz U-238)

• Nuklearna goriva se u energetske svrhe primjenjuju isključivo za proizvodnju električne energije. Npr. iz 1 grama U-235 dobije se ~ 25000 kWh električne energije (prosječna godišnja potrošnja el. energije 7 kućanstava u RH).

• Prirodna nuklearna goriva za fuziju:– deuterij (D) ili teški vodik– litij (Li)

OPĆA ENERGETIKA 30

Geotermička energija• Geotermička energija podrazumijeva

energiju nagomilanu u unutrašnjosti Zemljine kore u obliku vruće vode odnosno pare (hidrogeotermička energije), te topline suhih stijena.

• Za sada se iskorištava vruća para i voda koja na površinu izvire prirodnim putem, te eventualno preko odgovarajućih bušotina s manjih dubina.

• Za iskorištavanje toplinske energije suhih stijena u unutrašnjosti zemljine kore, te vode i pare na većim dubinama još nema prihvatljivog tehno-ekonomskog rješenja.

• Iskorištavanje je moguće za:- grijanje i pripremu tople vode- proizvodnju električne energije

(para pri većim temperaturama)- neenergetske namjene

16

OPĆA ENERGETIKA 31

Neke pretvorbe prirodnih oblika energije u prikladnije oblike

Isplinjavanje ugljena:• postupci kojim se djelovanjem topline iz ugljena izlučuju plinovite i tekuće tvari, pri

čemu ne dolazi do kemijske promjene:a) švelovanje – pri temperaturama 500-600oC, najčešće se koristi mrki ugljen, a rjeđe

kameni ugljenb) koksiranje – pri temperaturama do 1100oC, redovito se koristi kameni ugljen

- provodi se grijanjem bez pristupa zraka- produkti:

- koks i koksni plin- polukoks- katran, benzol, amonijak itd.

OPĆA ENERGETIKA 32

Rasplinjavanje ugljena:• kemijski proces kojim se gorivi sastojci ugljena pretvaraju u gorive plinove izgaranjem,

uz pepeo kao kruti ostatak - postoje dvije vrste rasplinjavanja:

a) u plinskim generatorimab) podzemno rasplinjavanje – u nalazištima ugljena, najčešće kod onih gdje više nije ekonomski isplativo vađenje ugljena, a postoje uvjeti za rasplinjavanje

- produkti: različite vrste plinskih goriva

Degazolinaža prirodnog plina:• postupak kojim se vrši prerada prirodnog plina, izdvaja se tekući naftni plin i pripremaju

plinovi za direktnu potrošnju (etan, propan, butan itd.)

17

OPĆA ENERGETIKA 33

Destilacija nafte:• osnovni postupak prerade nafte kojim se postupno izdvajaju mješavine srodnih ugljikovodika sa

sličnim fizikalnim osobinama• destilacijom se na određenim temperaturama izdvajaju komponente – frakcije različitih

temperatura isparavanja, i to u tri faze: zagrijavanje, isparavanje i kondenzacija• vrste destilacije nafte: atmosferska, vakuumska, destilacija pod tlakom itd.• osnovni produkti:

- rafinerijski plin iskorištava se kao gorivo u rafinerijama i industriji ili kao sirovina ukemijskoj industriji

- ukapljeni plinovi iskorištavaju se u industriji i kućanstvima kao gorivo- tehnički ili specijalni benzini ne koriste se za energetske svrhe- motorni benzin se koristi se za pogon motora s unutrašnjim izgaranjem- teški benzini se koriste za razne neenergetske namjene, te eventualno za proizvodnjunekih plinova

- petrolej se koristi kao gorivo- gorivo za mlazne motore je smjesa benzina i petroleja- dizelsko gorivo (vrlo lako, lako srednje i teško) služi za pogon dizel motora- neenergetska ulja- ulja za loženje (ekstralako, lako, srednje i teško loživo ulje) upotrebljava se za loženje

peći za grijanje, parnih kotlova, za tehnološke peći, za pogon brodova i kao zamjenskogorivo u plinskim elektranama

- kruti produkti su parafin, bitumen, petrolkoks itd.

OPĆA ENERGETIKA 34

Destilacija nafte:

18

OPĆA ENERGETIKA 35

Pretvorba kemijske energije u unutrašnju termičku energiju

• Izgaranje je proces pretvorbe kemijske energije sadržane u nekom gorivu u unutrašnju termičku energiju (kinetička energija molekula koje se gibaju i potencijalna energija molekula kao posljedica privlačnih i odbojnih sila koje djeluju među njima).

• Proces izgaranja je kemijska reakcija različitih tvari (goriva u svim agregatnim stanjima) u dodiru s kisikom, a produkti izgaranja su plinovi i pepeo.

• Osim goriva i zraka, za početak procesa izgaranja je potrebna dovoljno visoka temperatura zapaljenja, a za nastavak izgaranja je potrebno osigurati odvođenje nastale topline.

• Izgaranje se vrši u ložištima, a dobivena termička energija može se koristiti u obliku:- korisne energije (npr. toplina za grijanje prostorija)- transformirane energije za daljnju transformaciju (npr. toplina za zagrijavanje vode i proizvodnju vode u parnom kotlu)

• Ložišta moraju biti tehnički prilagođena određenoj vrsti goriva, a nekad mogu biti prilagođena i za različite vrste goriva.

• Parni kotao je izmjenjivač topline koji toplinu oslobođenu izgaranjem goriva dovodi vodi i vodenoj pari, da bi se na izlazu iz parnog kotla dobila vodena para pri određenom tlaku i temperaturi.

OPĆA ENERGETIKA 36

<-Osnovni prikaz parnog kotla

Elementarni princip radaparnog kotla ->

19

OPĆA ENERGETIKA 37

Pretvorbe unutrašnje termičke energije u mehaničku energiju

Osnovne vrste pretvorbe:a) Preko klipnih strojeva:

- parni klipni strojevi koriste vodenu paru koja se u cilindar dovodi izvana- motori s unutrašnjim izgaranjem koriste gorivo koje izgara unutar cilindra:

- Otto proces- Sabathe proces ili kombinirani dizel proces

b) Preko turbina (motori s vanjskim izgaranjem):- parna turbina koristi vodenu paru kao pogonski medij- plinska turbina kao pogonski medij koristi smjesu zraka i plinova izgaranja

OPĆA ENERGETIKA 38

“Toplinski stroj”

Spremnik topline (ulaz)Tin

Spremnik topline (izlaz)Tout

StrojMehanička energija

Qin

Qout

W

W=Qin-Qout

in

outin

in QQQ

QW −

=≈ηin

out

TT1−=η

( Carnot-ov idealni proces )

20

OPĆA ENERGETIKA 39

Termoelektrane• Energetske transformacije: kemijska energija – unutrašnja termička energija – kinetička

energija – mehanička energija – električna energija• Vrste:

a) Dizel termoelektraneb) Plinske termoelektranec) Parne termoelektrane______________________d) Kombinirane plinsko-parne elektrane ili kombi elektranee) Kogeneracijske termoelektrane ili termoelektrane-toplane (parne i kombi)

• Osnovni podaci:- vrsta goriva koje koristi (može biti samo jedno ili više vrsta)- maksimalna snaga i tehnički minimum- specifični potrošak topline i korisnost- brzina i troškovi pokretanja i zaustavljanja- brzina promjene snage- napon na kojemu je TE priključena na električnu mrežu- faktor snageitd.

OPĆA ENERGETIKA 40

Osnovna shema parne termoelektrane

Parni kotao – proizvodi vodenu paruKondenzator – kondenzira paru na izlazu iz turbineTurbina – pretvara unutrašnju termičku energiju pare u kinetičku energiju mehaničku energiju – rotaciju osovine koja pokreće stator električnog generatoraGenerator – pretvara mehaničku u električnu energijuCrpka – omogućava cirkulaciju pare u zatvorenom krugu

21

OPĆA ENERGETIKA 41

Dimnjak

traka za transport uglja(parni kotao)

parovod

turbinaskladište ugljena

generatorTransformator + el. postrojenje

kondenzator

rashladna voda

rijeka ili more

Prostorna shema parne termoelektrane (na ugljen)

OPĆA ENERGETIKA 42

Kako bi to mali Ivica objasnio

22

OPĆA ENERGETIKA 43

Pretvorbe i efikasnost u termoelektrani

potrošači

gubici2-4%Prijenosna mreža

Distribucijska mreža gubici4-12%

GORIVO

ložište gubici1-3%

TOPLINA

PARA

ELEKTR. ENERG.

MEH. ENERG.

gubicikotao 5-8%

turbina+kond. gubicica 50%

generator gubici1-2%

ELEKTR. ENERG.

transformator gubici0.5-1%

TE

npr.

53,0172735272731 =++

−≈η

OPĆA ENERGETIKA 44

• Primjer 1: koliko treba ugljena za 12-satni rad el. radijatora snage 1000 W?1000W*12h = 12kWhGubici energije u distributivnoj i prijenosnoj mreži: 15% ==> treba proizvesti X kWh, 0,85 * X = 12kWh ==> X = 12 / 0,85 = 14,1kWhPretvaranje u MJ: 1 kWh=3,6 MJ ==> 14,1kWh = 50,8MJEfikasnost termoelektrane na ugljen je oko 38% ==> za proizvodnju 50,8MJ el. en. treba 50,8MJ / 0,38 = 133,7MJ unutrašnje kemijske energije ugljenaOgrjevna moć kamenog ugljena ugljena: npr. 25,5 MJ/kg (TE Plomin) ==> treba nam 133,7MJ / 25,5 MJ/kg = 5,2 kg

• Primjer 2: koliko to košta?Samo gorivo: 5,2kg ugljena u nabavi, uključujući prijevoz (velike količine za termoelektranu) ~ 0,36 kn/kg ==> 5,2kg * 0,36 kn/kg = 1,87knUkupna proizvodna cijena: je ~ 3,5USc/kWh = 0,22kn/kWh ==> 14,1 kWh košta 0,22 kn/kWh * 14,1 kWh = 3,1 kn (+PDV)Potrošač plaća za 12kWh:

u višoj tarifi: 0,61 kn/kWh ==> ukupno 12x0,61 = 7,3 kn (+PDV)u nižoj tarifi: 0,32 kn/kWh ==> ukupno 12x0,32 = 3,8 kn (+PDV)

23

OPĆA ENERGETIKA 45

• Primjer 3: koliko bi isto koštalo potrošača ako se grije na prirodni plin iz mreže?12kWh = 3,6x12 = 43,2 MJOgrijevna moć prirodnog plina: 33,3 MJ/m3 ==> treba 43,2MJ / 33,3 MJ/m3 = 1,3 m3

plinaCijena plina za kućanstva: ~ 2kn/m3 (u zagrebačkoj plinari) ==> ukupni trošak: 2kn/m3 * 1,3 m3 = 2,6 kn (+PDV)

• Za domaći rad:Koliko bi potrošača koštalo grijanje na ukapljeni plin (iz boce), uz pretpostavku iste količine korisne energije (12 kWh)?

OPĆA ENERGETIKA 46

Iskorištavanje geotermalne energije za proizvodnju el. energije

Varijanta 1: Direkno iskorištavanje vodene pare za pokretanje parne turbine (Tpare>150oC)

Varijanta 2: Vodena para preko izmjenjivača topline zagrijava medij u sekundarnom krugu koji ima niže vrelište (100oC<Tpare<150oC)

24

OPĆA ENERGETIKA 47

Osnovna shema plinske termoelektrane

a) Otvoreni proces

K – Kompresor upija zrak iz okoline i komprimira ga do određenog tlakaKI – Komora izgaranja: dovedeni komprimirani zrak miješa se s gorivom koje izgara (plinovi izgaranja)T – Turbina: plinovi izgaranja ekspandiraju u turbini koja pokreće generator i kompresorG – Generator M – Motor za pokretanje kompresora

Zrak Smjesa zraka i plinova izgaranja

Gorivo (plin ili ekstra lako loživo ulje)

Osovina

El. energija

OPĆA ENERGETIKA 48

c) Zatvoreni proces

b) Otvoreni proces uz zagrijavanje zraka nakon kompresije

Z – Zagrijač zraka

Gorivo

Zrak

Plinovi

Izgaranja

Rashladna voda

Smjesa zraka i plinova izgaranja

Zrak

Gorivo

25

OPĆA ENERGETIKA 49

Presjek plinske turbine

OPĆA ENERGETIKA 50

Osnovne razlike između parnih i plinskih termoelektrana:• parne termoelektrane imaju veći stupanj djelovanja (korisnost): ~40% parne, 25-30%

plinske• izgradnja parnih termoelektrana je skuplja (~2:1) i duže traje• troškovi goriva po jedinici proizvedene el. energije redovito su manji za parne

termoelektrane, pogotovo ako se radi o termoelektranama na ugljen (~1:2) • plinske termoelektrane imaju manje troškove pokretanja i zaustavljanja• plinske termoelektrane brže ulaze u pogon i fleksibilnije su u radu: moguća je brža

promjena snage • plinske termoelektrane su ekološki prihvatljivije: ispuštaju manje količine štetnih

plinova• kod plinskih termoelektrana može se javiti problem opskrbe gorivom:

- u slučaju da se plin dovodi plinovodom, potrebni su dugoročni ugovori s isporučiteljem (vrlo često samo jednim)- u varijanti kad se koristi ukapljeni plin, ovog problema nema, ali su troškovi (cijenaplina) znatno veći

26

OPĆA ENERGETIKA 51

Kombinirane plinsko-parne termoelektrane (kombi TE)

• osnovna ideja: otpadna toplina na izlazu iz plinske turbine iskorištava se za zagrijavanje vode – pripremu pare koja pokreće parnu turbinu

• na taj način povećava se ukupni stupanj djelovanja, trenutno je to nešto više od 50%, a razvojem tehnologije se očekuje dostići do 60%

• moguće je više varijanti ovisno o broju generatora i načinu povezivanja turbina:

• Multi-shaft- po jedna plinska i parna turbina, svaka

pokreće svoj generator- dvije (ili više) plinskih turbina i jedna

parna turbina• Single-shaft

- po jedna plinska i parna turbina na zajedničkoj osovini, s jednim

generatorom

OPĆA ENERGETIKA 52

Multi-shaft

27

OPĆA ENERGETIKA 53

Single-shaft

OPĆA ENERGETIKA 54

Termoelektrane - toplane

• Unutrašnja termička energija vodene pare dobivene u kotlu termoelektrane može se dijelom iskoristiti za direktnu industrijsku potrošnju, a drugi dio se privodi parnoj turbini za proizvodnju električne energije.

• Otpadna toplina iz turbine se može preko toplovodne mreže iskoristiti za grijanje.• Ukupni stupanj djelovanja (ukupna izlazna energija – toplinska i električna u odnosu na ulaznu

unutrašnju kemijsku energiju goriva) na ovaj način može dostići i preko 90%.• Zbog gubitaka energije u toplinskoj mreži stvarni stupanj djelovanja je manji.

Gorivo Kotao

Parna turbina

Generator

Otpadna toplina

Kondenzator Rashladna voda

Pumpa

Tehnološka para za industriju

28

OPĆA ENERGETIKA 55

Kombi termoelektrana - toplana

Gorivo

Parna turbina

Generator 1

Generator 2

Otpadna toplina

Izmjenjivačtopline

Otpadni plinovi

Kompresor

Zrak

Plinska turbina

Komora izg.

OPĆA ENERGETIKA 56

Nuklearne elektrane• Nuklearne elektrane mogu se smatrati i kao podvrsta termoelektrana, budući da je osnovna

funkcionalna razlika jedino u načinu dobivanja vodene pare.• Toplinsku energiju osigurava kontrolirana lančana reakcija nuklearnog goriva.

29

OPĆA ENERGETIKA 57

Osnovni djelovi nuklearne elektrene su:• Nuklearni reaktor – uređaj u kojemu se održava

kontrolirana nuklearna reakcija, a proizvedena toplina se odgovarajućim prijenosnim medijem izvodi iz reaktora

• Parogenerator – izmjenjivač topline u kojem rashladno sredstvo reaktora predaje dio svoje toplinske energije vodi odnosno pari u sekundarnom krugu nuklearne elektrane.

• Cirkulaciona crpka rashladnog sredstva reaktora omogućava cirkulaciju rashladnog sredstva u primarnom krugu reaktora

• Tlačnik – održava potreban tlak i kompenzira promjene volumena rashladnog sredstva uslijed promjene temperature

• Zaštitna posuda (kontejment) – služi za smještaj i zaštitu primarnog kruga NE i dijela reaktorskog pomoćnog postrojenja

• Klasični sistemi – dijelovi NE koji se nalaze i u TE (turbina, generator, kondenzator, crpke)

Primarno – reaktorsko postrojenje

Sekundarno postrojenje

OPĆA ENERGETIKA 58

Nuklearne elektrane se obično dijele s obzirom na vrstu rashladnog sredstva reaktora:1. Reaktori hlađeni i moderirani običnom vodom pod tlakom, PWR (Pressurized Water

Reactor) – npr. NE Krško2. Reaktori hlađeni i moderirani kipućom vodom, BWR (Boiling Water Reactor)3. Reaktori hlađeni i moderirani teškom vodom, HWR (Hevy Water Reactor) 4. Reaktori hlađeni plinom i moderirani grafitom, GCR (Gas Cooled Reactor), AGR

(Advanced Gas Reaktor), HTGR (High Temperature Gas Reaktor)5. Brzi oplodni reaktori hlađeni tekućim metalima, nemaju moderatora, LMFBR

(Liquid Metal Fast Breeder Reactor)

Jezgru reaktora (tip PWR) čine:- Gorivi elementi: cijevi od specijalnih legura ispunjene UO2- Regulacijske i zaustavne šipke- Moderator: ima funkciju usporavanja procesa fisije (neutrone)- Rashladni fluid- Konstrukcijski elementi

30

OPĆA ENERGETIKA 59

NE Krško

1 – reaktor2 – crpke3 – parogeneratori4 – tlačnik

5 – visokotlačni dio turbine6 – niskotlačni dio turbine7 – generator10 - kondenzator

OPĆA ENERGETIKA 60

Karakteristike NE:• Dobre:

- niska cijena goriva (po jedinici proizvoedene el. energije)- nema ispuštanja štetnih plinova u atmosferu

• Loše:-veliki investicijski troškovi-nema fleksibilnosti u radu-problem s tretmanom i skladištenjem nuklearnog otpada