Hidroelektrane

Hrvatska ima ukupno 26 aktivnih hidroelektrana. U nastavku slijedi popis svih elektrana poredanih po položaju od sjevera do juga.

rijeka Drava:

HE Varaždin - snage 2x47 MW

HE Dubrava - snage 2x38 MW

HE Čakovec - snage 2x38 MW

rijeka Kupa:

HE Ozalj - snage 5.5 MW

slivno područje Lokvarke i Ličanke:

HE Zeleni vir - snage 1.7 MW

RHE Lepenica - snage 1.25 MW

CHE Fužine - snage 4.6 MW

HE Vinodol - snage 90 MW

rijeka Rječina:

HE Rijeka - snage 36.8 MW

rijeka Ogulinska Dobra:

HE Gojak - snage 55.5 MW

rijeka Gojačka Dobra:

HE Lešće - snage 42.3 MW

rijeka Gacka:

HE Senj - snage 216 MW

rijeka Lika:

HE Sklope - snage 22.5 MW

rijeka Zrmanja:

RHE Velebit - snage 276 MW

rijeka Krka:

HE Golubić - snage 7.5 MW

HE Miljacka - snage 24 MW

HE Jaruga - snage 7.2 MW

MHE Krčić - 0.375 MW

rijeka Cetina:

HE Peruća - snage 60 MW

HE Đale - snage 40.8 MW

HE Zakučac - snage 485 MW

HE Kraljevac - snage 46.4 MW

umjetno jezero Buško Blato:

HE Obrovac - snage 237 MW

rijeka Trebišnjica:

HE Zavrelje - snage 2 MW

HE Dubrovnik - snage 216 MW

Hidroelektrana ili hidroelektrična centrala je postrojenje u kojem se potencijalna energija vode najprije pretvara u kinetičku energiju njezinog strujanja, a potom u mehaničku energiju vrtnje vratila turbine te, konačno u električnu energiju u električnom generatoru. Hidroelektranu u širem smislu čine i sve građevine i postrojenja, koje služe za prikupljanje (akumuliranje), dovođenje i odvođenje vode (brana, zahvati, dovodni i odvodni kanali, cjevovodi itd.), pretvorbu energije (vodne turbine, generatori), transformaciju i razvod električne energije (rasklopna postrojenja, dalekovodi) te za smještaj i upravljanje cijelim sustavom (strojarnica i sl).

Iskorištavanje energije vodnog potencijala ekonomski je konkurentno proizvodnji električne energije iz fosilnih i nuklearnog goriva, zato je hidroenergija najznačajniji obnovljivi izvor energije. U zadnjih trideset godina proizvodnja u hidroelektranama je utrostručena, a njen udio povećan je za 50 %, za to je vrijeme proizvodnja u nuklearnim elektranama povećana za 100 puta, a udio oko 80 puta. Ti podaci pokazuju da se proizvodnja u hidroelektranama brzo povećava, ali značajno zaostaje za proizvodnjom u nuklearnim elektranama (ali i termoelektranama). Razlog takvom stanju leži u činjenici da iskorištavanje hidroenergije ima bitna tehnička i prirodna ograničenja. 

Glavno ograničenje jest zahtjev za postojanjem obilnog izvora vode kroz cijelu godinu, jer je skladištenje električne energije skupo i vrlo štetno za okoliš, osim toga na određenim lokacijama je za poništavanje utjecaja oscilacija vodostaja potrebno izgraditi brane i akumulacije. Njihovom izgradnjom značajno se povećava investicija, utjecaji na okoliš, potrebna je zaštita od potresa, a u zadnje vrijeme postoje i značajne terorističke prijetnje.

Jednom kada je hidroelektrana završena, nije potreban novac za sve skuplje gorivo, ne stvara se opasan otpad (kao kod nuklearnih elektrana) i stvara gotovo zanemarivu količinu stakleničkih plinova (za razliku od termoelektrana). U svijetu je instalirano hidroelektrana sa snagom od 777 GW, koje daju 2998 TWh električne energije, u 2006. To je otprilike 20 % svjetske proizvodnje električne energije svih vrsta, ili 88 % od svih obnovljivih izvora energije.

Korištenje hidroenergije je započelo u Mezopotamiji i drevnom Egiptu prije oko 8000. godina, kada se ona koristila za navodnjavanje. Vodeni sat ili klepsidra se počeo koristiti prije oko 4000. godina. Hidroenergija se koristila za kanat ili turpan, a to su vodovodni sustavi, koji su služili za dovod svježe vode, u vrućim i suhim naseljenim područjima, a to su razvili stari Perzijanci i proširili na druge krajeve, od Maroka do Kine.

Termoelektrane

Termoelektrane su energetska postrojenja koje energiju dobivaju sagorijevanjem goriva, a glavna primjena i svrha termoenergetskih postrojenja je proizvodnja pare koja će pokretati turbinu, a potom i generator električne energije.

Osnovna namjena im je proizvodnja i transformacija primarnih oblika energije u koristan rad, koji se kasnije u obliku mehaničke energije dalje iskorištava za proizvodnju električne energije. Mehanička energija je proizvedena uz pomoć toplinskog stroja koji transformira toplinsku energiju. Imamo pretvaranje kemijske energije u toplinsku koja se pak različitim procesima predaje nekom radnom mediju. Radni medij pak služi kao prijenosnik te energije, često izgaranjem goriva, u energiju vrtnje.

Termoelektrane u Hrvatskoj kao gorivo koriste ugljen, plin i loživo ulje. U nastavku slijedi popis elektrana smještenih od sjevera prema jugu.

KTE Jertovec - ukupne snage 80 MW

EL-TO Zagreb - ukupne snage 88.8 MW

TE-TO Zagreb - snage 440 MW

TE-TO Osijek - snage 89 MW

TE Sisak - snage 420 MW

TE Rijeka - snage 320 MW

TE Plomin - blok 1 snage 120 MW, blok 2 snage 210 MW

Podjela termoelektrana prema vrsti pokretača:

1. Plinsko-turbinsko postrojenje
2. Parno-turbinsko postrojenje
3. Kombinirano postrojenje

Utjecaj termoelektrana na okoliš

Danas je sve manje termoelektrana budući da su veliki onečišćivači prirode. Kod termoelektrana dva su osnovna učinka koji utječu na onečišćenje okoliša. Prvi i osnovni je učinak koji nastaje zbog izgaranja fosilnih goriva. Drugi i manje bitni jest toplinsko onečišćenje rijeka ili jezera. Mi ćemo govoriti samo ovim prvim, odnosno onečišćenjem uslijed izgaranja fosilnog goriva. Izgaranje je proces u kojem se kemijska energija sadržana u gorivu transformira u unutrašnju energiju koja se opet dalje iskorištava u raznim procesima. Kod izgaranja u atmosferu se ispuštaju plinovi kao što su CO, voda, NOx, različiti ugljikovodici,... Od svih navedenih ugljik dioksid i voda nisu direktno otrovni za ljude. No oni izravno utječu svojom koncentracijom na zagrijavanje atmosfere (apsorpcija toplinskog zračenja u atmosferi). Vrsta i sastav plinova nastalih uslijed izgaranja ovisi o sastavu goriva koje izgara u procesu. Elementi koji čine većinu fosilnih goriva su ugljik, vodik i sumpor. Ugljik može izgarati potpuno i djelomično. U potpunom izgaranju imamo CO2kao produkt dok kod djelomičnog izgaranja kao produkt imamo CO. Upravo zbog toga veći udio CO imamo u termoelektranama na ugljen jer je teže osigurati kvalitetno miješanje goriva i zraka. Izgaranjem vodika dobivamo vodu, a izgaranjem sumpora SO2. Kod izgaranja težimo što potpunijem izgaranju. Da bismo to ostvarili cilj je imati što bolje miješanje zraka i goriva.

Energija biomase

Biomasa je sva organska tvar nastala rastom bilja i životinja. Od svih obnovljivih izvora energije, najveći se doprinos u bližoj budućnosti očekuje od biomase. Svake godine na zemlji nastaje oko 2.000 milijardi tona suhe biomase. Za hranu se od toga koristi oko 1,2%, za papir 1%, i za gorivo 1%. 

Ostatak, oko 96% trune ili povećava zalihe obnovljivih izvora energije. 

Od biomase se mogu proizvoditi obnovljivi izvori energije kao što su bioplin, biodizel, biobenzin,(etanol) a suha masa se može mljeti u sitne komadiće pelete, koji se mogu spaljivati u automatiziranim pećima za proizvodnju topline i električne energije. 

U poljoprivrednoj proizvodnji ostaje velika količina neiskorištene biomase. Razni ostaci u ratarskoj proizvodnji kao što su: ostaci pri rezidbi voćki, vinove loze i maslina, slama, kukuruzovina, stabljike suncokreta, i sl. relativno su lako iskoristiv oblik energije. Proizvodnjom i korištenjem biomase u energetske svrhe smanjuje se emisija štetnih tvari i doprinosi se zaštiti tla i voda te povećanju bioraznolikosti. Biomasa je vrlo prihvatljivo gorivo s gledišta utjecaja na okoliš jer sadrži vrlo malo ili čak uopće ne sadrži brojne štetne tvari – sumpor, teške kovine i sl., koje se nalaze u fosilnim gorivima, a koje se njihovim izgaranjem emitiraju u zrak te ugrožavaju naše zdravlje i okoliš. Glavna prednost biomase u odnosu na fosilna goriva je njena obnovljivost.

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. U posljednje vrijeme sve više postaje očito da je današnji pristup energiji neodrživ. Od svih obnovljivih izvora energije, najveći se doprinos u bližoj budućnosti očekuje od biomase. Biomasa, kao i njezini produkti – tekuća biogoriva i bioplin, nije samo potencijalno obnovljiva, nego i dovoljno slična fosilnim gorivima da je moguća izravna zamjena.

Biomasa je obnovljivi izvor energije, a općenito se može podijeliti na drvnu, nedrvnu i životinjski otpad, unutar čega se mogu razlikovati:

•  Drvna biomasa

Ostaci i otpad nastao pri piljenju, brušenju, blanjanju,…

Često je to otpad koji opterećuje poslovanje drvno-prerađivačke tvrtke

Služi kao gorivo u vlastitim kotlovnicama, sirovina za proizvode, brikete, pelete

Jeftinije je i kvalitetnije gorivo od šumske biomase

• Ostaci i otpaci iz poljoprivrede

Slama, kukuruzovina, oklasak, stabljike, koštice, ljuske,…

To je heterogena biomasa različitih svojstava

Ima nisku ogrjevnu vrijednost zbog visokog udjela vlage i različitih primjesa (klor!)

Prerađuje se prešanjem, baliranjem, peletiranjem

Danska: instalirana je elektrana na ostatke žitarica od 450 MW!

• Životinjski otpad i ostaci 

Anaerobna fermentacija (izmet – sve vrste životinja + zelena masa)

Spaljivanjem (stelja, lešine – peradarske farme)

Bioplin (60% metana, 35% CO2 te 5% smjese vodika, dušika, amonijaka, sumporovodika, CO, kisika i vodene pare)

• Biomasa iz otpada

Zelena frakcija kućnog otpada

Biomasa iz parkova i vrtova s urbanih površina

Mulj iz kolektora otpadnih voda

KRUTA BIOMASA

Kruta biomasa uključuje drvo, poljoprivredne te ostale organske nusproizvode i otpad.

Kruta biomasa se može spaljivati i tako se iz nje može dobiti toplinska energija za grijanje ili proizvodnju električne energije, a može se raznim postupcima pretvoriti u biogoriva ili bioplin te se kao takva koristiti za dobivanje energije.

• Neki postupci prerade i uporabe biomase

kompostiranje (u svrhu dobivanja gnojiva)

anaerobna digestija (biomasa trune u svrhu dobivanja metana i taloga koji se koristi kao gnojivo)

fermentacija i destilacija (za dobivanje etilnog alkohola)

destruktivna destilacija (proizvodi metilni alkohol iz otpada bogatih celulozom)

piroliza (zagrijavanje organskog otpada bez prisustva zraka u svrhu proizvodnje zapaljivog plina i ugljena)

spaljivanje u svrhu dobivanja topline i električne energije

građevinski materijali

biorazgradive plastike i papir (korištenje celuloznih vlakana)

BIOGORIVA

Biogoriva su goriva koja se dobivaju preradom biomase. U posljednjih nekoliko godina, proizvodnja i potrošnja biogoriva rastu. Ekološki su daleko prihvatljivija od fosilnih, ali im je proizvodnja još uvijek skuplja. Najintenzivnija proizvodnja je u Brazilu, iz šećerne trske, te u SAD-u, iz kukuruza. Glavna biogoriva su bioetanol i biodizel.

Bioetanol predstavlja alternativu benzinu. Proizvodi se iz šećerne trske, kukuruza, ječma, krumpira, suncokreta, žita, drva i još nekih biomasa. Najintenzivnija proizvodnja je u Brazilu. Europska Unija već troši znatne količine bioetanola. Hrvatska ima veliki potencijal za proizvodnju i izvoz bioetanola.

Biodizel predstavlja alternativu običnom dizelu proizvedenom iz fosilnih goriva. Proizvodi se najviše iz uljarica (uljane repice, soje, suncokreta, palminih ulja), biorazgradiv je i nije opasan za okoliš. U nekim zemljama Europske Unije, biodizel je već zastupljen u gorivima (u određenom postotku), te također neka vozila već mogu voziti na 100%-tni biodizel.

Bioplin nastaje fermentacijom otpada iz poljoprivrede, kućanstava i industrije. Sastoji se od približno 60 posto metana, 35 posto ugljičnog dioksida, te 5 posto smjese vodika, dušika, amonijaka, sumporovodika, ugljičnog monoksida, kisika i vodene pare. S obzirom na količinu metana koju sadržava, bioplin se može koristiti kao gorivo. Kalorična vrijednost bioplina razmjerna je količini metana. Bioplin se može koristit za dobivanje električne energije, grijanje vode i prostora te u industrijskim procesima. Ako se komprimira, može zamijeniti prirodni plin koji se koristi u automobilima sa motorima na unutarnje izgaranje.

Geotermalna energija

Riječ geotermalno ima porijeklo u dvjema grčkim riječima geo (zemlja) i therme (toplina) i znači toplina zemlje, pa se prema tome toplinska energija Zemlje naziva još i geotermalna energija. Toplina u unutrašnjosti Zemlje rezultat je formiranja planeta iz prašine i plinova prije više od četiri milijarde godina, a radioaktivno raspadanje elemenata u stijenama kontinuirano regenerira tu toplinu, pa je prema tome geotermalna energija obnovljivi izvor energije. Osnovni medij koji prenosi toplinu iz unutrašnjosti na površinu je voda ili para, a ta komponenta obnavlja se tako da se voda od kiša probija duboko po raspuklinama i tamo se onda zagrijava i cirkulira natrag prema površini, gdje se pojavljuje u obliku gejzira i vrućih izvora.

Vanjska kruta kora Zemlje duboka je od pet do 50 kilometara i sastavljana je od stijena. Tvari iz unutarnjeg sloja neprestano izlaze na površinu kroz vulkanske otvore i pukotine na dnu oceana. Ispod kore nalazi se omotač i on se proteže do dubine od 2900 kilometara, a sačinjen je od spojeva bogatih željezom i magnezijem. Ispod svega toga nalaze se dva sloja jezgre – tekući sloj i kruti sloj u samoj jezgri planeta. Polumjer Zemlje je otprilike 6378 kilometara, i nitko zapravo ne zna što se točno nalazi u unutrašnjosti, sve navedeno su zapravo znanstvene pretpostavke izgleda unutrašnjosti planeta. Te pretpostavke temelje se na eksperimentima u uvjetima visokog tlaka i velikih temperatura.

Spuštanjem kroz vanjski sloj Zemlje, tj. koru temperatura raste otprilike 17 °C do 30 °C po kilometru dubine (50 – 87 °F po milji dubine). Ispod kore nalazi se omotač koji je sastavljen od djelomično rastopljenih stijena i temperatura tog omotača je između 650 i 1250 °C (1200 – 2280 °F). U samoj jezgri Zemlje temperature bi po nekim procjenama mogle biti između 4000 i 7000 °C (7200 – 12600 °F). Budući da toplina uvijek prelazi sa toplijih dijelova na hladnije, toplina iz unutrašnjosti Zemlje prenosi se prema površini i taj prijenos topline glavni je pokretač tektonskih ploča. Na mjestima gdje se spajaju tektonske ploče može doći do propuštanja magme u gornje slojeve i ta magma se tada hladi i stvara novi sloj zemljine kore. Kad magma dođe do površine može stvoriti vulkane, ali većinom ostaje ispod površine te tvori ogromne bazene i tu se počinje hladiti, a taj proces traje od 5000 godina do milijun godina. 

Područja ispod kojih se nalaze ovakvi bazeni magme imaju visok temperaturni gradijent, tj. temperatura raste vrlo brzo povećanjem dubine i takva područja izuzetno su pogodna za iskorištavanje geotermalne energije.

Potencijal geotermalne energije je ogroman, ima je 50000 puta više od sve energije koja se može dobiti iz nafte i plina širom svijeta. Geotermalni resursi nalaze se u širokom spektru dubina, od plitkih površinskih do više kilometara dubokih rezervoara vruće vode i pare koja se može dovesti na površinu i iskoristiti. U prirodi se geotermalna energija najčešće pojavljuje u formi vulkana, izvora vruće vode i gejzira. U nekim zemljama se geotermalna energija koristi već tisućljećima u obliku toplica odnosno rekreacijsko-ljekovitog kupanja. No razvoj znanosti nije se ograničio samo na područje ljekovitog iskorištavanja geotermalne energije već je iskorištavanje geotermalne energije usmjerio i prema procesu dobivanja električne energije te grijanju kućanstava i industrijskih postrojenja. Grijanje zgrada i iskorištavanje geotermalne energije u procesu dobivanja struje, glavni su ali ne i jedini načini iskorištavanja te energije. Geotermalna energija također se može iskoristiti i u druge svrhe kao što su primjerice u proizvodnji papira, pasterizaciji mlijeka, plivačkim bazenima, u procesu sušenja drveta i vune, planskom stočarstvu, te za mnoge druge svrhe.

Glavni nedostatak prilikom iskorištavanja geotermalne energije je da nema puno mjesta na svijetu koja su izuzetno pogodna za eksploataciju. Najpogodnija su područja na rubovima tektonskih ploča, tj. područja velike vulkanske i tektonske aktivnosti. Sljedeća slika prikazuje tektonsku kartu svijeta i područja pogodna za iskorištavanje geotermalne energije.

Zemlja je podijeljena na tektonske ploče koje se cijelo vrijeme kreću i sudaraju i time stvaraju mjesta pogodna za iskorištavanje geotermalne energije. Najpogodnija područja za iskorištavanje te energije nalaze se na takozvanom Vatrenom prstenu (Ring of Fire).

Počeci korištenja topline Zemlje za generiranje električne energije vežu se uz malo talijansko mjesto Landerello i 1904 godinu Tamo je te godine započelo eksperimentiranje s tim oblikom proizvodnje električne energije, kada je para upotrijebljena za pokretanje male turbine koja je napajala pet žarulja, a taj se eksperiment smatra prvom upotrebom geotermalne energije za proizvodnju električne energije. Tamo je 1911 počela gradnja prve geotermalne elektrane koja je završena 1913 i nazivna snaga joj je bila 250 kW. To je bila jedina geotermalna elektrana u svijetu kroz gotovo pola stoljeća. Princip rada je jednostavan: hladna voda upumpava se na vruće granitne stijene koje se nalaze blizu površine, a van izlazi vruća para na iznad 200 °C i pod visokim pritiskom i ta para onda pokreće generatore. Iako su sva postrojenja u Landerello-u uništena u drugom svjetskom ratu, postrojenja su ponovo izgrađena i proširena te se koriste još i danas. To postrojenje i danas električnom energijom napaja oko milijun domaćinstava tj. proizvede se gotovo 5000 GWh godišnje, što je oko 10% ukupne svjetske proizvodnje struje iz geotermalnih izvora. Iako je geotermalna energija obnovljivi izvor energije, tlak pare se u Landerello-u smanjio za 30% od 1950.

Prednosti korištenja geotermalne energije u proizvodnji elektro-energije :

EKOLOGIJA. Geotermalne elektrane, isto kao elektrane na vjetar i solarne elektrane, nemaju izgaranje goriva za proizvodnju pare koja pokreće turbine. Proizvodnja električne energije geotermalnom toplinom štedi neobnovljive, fosilne energente. Smanjenjem upotrebe fosilnih goriva umanjuje se i njihova štetna emisija, koja onečišćuje atmosferu.

SMJEŠTAJ. Geotermalne elektrane zauzimaju puno manje prostora po proizvedenom megawattu, nego što ga zauzimaju ostali tipovi elektrana. Kod geotermalnih instalacija nisu potrebni riječni nasipi niti sječa šuma, a isto tako nema rudnih tunela, otvorenih okana, otpadnih hrpa ili razlijevanja nafte.

POUZDANOST. Geotermalne elektrane dizajnirane su za pogon tijekom 24 sata na dan, gotovo kroz cijelu godinu. One pripadaju vrhunskom izvoru goriva, jer ne dolazi do prekida proizvodnje zbog vremenskih neprilika, prirodnih nepogoda ili političkih utjecaja, koji mogu spriječiti transport ostalih vrsta goriva.

PRILAGODBA. Geotermalne elektrane su uglavnom modularne konstrukcije, s više instaliranih jedinica, koje se uključuju kod povećanih potreba za električnom energijom.

EKONOMIČNOST. Nema potrebe za trošenjem novca radi uvoza goriva, jer se geotermalne elektrane uvijek grade na geotermalnim izvorima. Ušteđen novac ostaje građanima pripadnih područja, u kojima na taj način ne dolazi do naglih promjena cijene goriva.

RAZVOJ. Geotermalni projekti omogućuju sve gore navedene prednosti uz istovremeni razvoj države i energetski rast, ali bez zagađenja okoline. Čak i instalirani objekti na udaljenim područjima mogu podići životni standard dovođenjem struje pučanstvu koje je daleko od “elektrificiranih” naseljenih centara. 

Energija mora

Energija valova mehanička je transformirana sunčeva energija. Valove, naime, uzrokuju vjetrovi koji nastaju kao posljedica razlika u tlaku zraka, a te, pak, razlike nastaju zbog različitog zagrijavanja pojedinih dijelova Zemljine površine. Stalni (planetarni) vjetrovi uzrokuju stalnu valovitost na određenim područjima i to su mjesta na kojima je moguće iskorištavanje njihove energije za pokretanje turbine povoljno. Valovi se razlikuju po visini, dužini i brzini, a o tome ovisi i njihova energija.

Svaki val nosi potencijalnu energiju uzrokovanu deformacijom površine i kinetičku energiju koja nastaje zbog gibanja vode. Vremenski razmak između dviju amplituda razmjeran je drugom korijenu dužine vala. Energija vala razmjerna je kvadratu visine vala i obrnuto razmjerna vremenskom razmaku između dviju amplituda. Energija naglo opada s dubinom pa na dubini od 20 m iznosi samo 20% od energije neposredno ispod površine, dok na dubini od 50 m samo oko 2% od energije neposredno ispod površine.

 Snagu vala definiramo po jedinici površine okomitu na smjer kretanja vala. Ona može iznositi i 10 kW/m2, ali i oko nule. Npr. za područje sjevernog Atlantika, na otvorenom moru između Škotske i Islanda, u 50% vremena snaga valova je 3,9 kW/m2 ili veća. Snagu valova možemo odrediti po metru dužine na morskoj površini. Tako definirana snaga vala mijenja se s brzinom vjetra te zavisi od godišnjeg doba i vremenskih prilika.

Na spomenutom dijelu Atlantika ljeti je snaga u 50% vremena 10 kW/m ili veća, a zimi čak 95 kW/m ili veća. Dužina obala uz oceane svih pet kontinenata (bez polova) iznosi oko 100 milijuna metara, pa ako se računa s prosječnom srednjom snagom od 10 kW/m, dobiva se prosječna godišnja snaga od 1 TW, odnosno godišnja energija od oko 9000 TWh, što je oko 60% današnje proizvodnje električne energije.

Energija valova obnovljiv je izvor koji varira u vremenu (npr. veći valovi javljaju se u zimskim mjesecima). Jednostavniji oblik iskorištavanja energije valova bio bi neposredno uz obalu zbog lakšeg, tj. jeftinijeg dovođenja energije potrošačima. Međutim, energija valova na pučini znatno je veća, ali je i njezino iskorištavanje puno skuplje. U Velikoj Britaniji i Japanu već se duže vrijeme istražuju mogućnosti iskorištavanja ovog oblika energije. Danas su u osnovi poznata tri oblika iskorištavanja energije valova; preko plutača, pomičnog klipa i lopatica.

Nijedan od navedenih načina ne može ekonomski konkurirati klasičnim izvorima energije (Udovičić, 1999.).Jedan je od načina da val ulazi u prostoriju te istiskuje zrak iz nje. Taj zrak pokreće turbinu koja onda može pokretati generator. Kada val izlazi iz prostorije, zrak ulazi u prostoriju kroz prolaz koji je inače zatvoren. Drugi je način da se upotrijebi vertikalno kretanje valova (gore - dolje) za pokretanje klipa unutar cilindra. Taj klip također može pokretati generator. Većina sustava koji rabe energiju valova male su snage, ali se mogu koristiti za, na primjer, napajanje signalne plutače ili manjeg svjetionika.

Veliki problem kod iskorištavanja energije valova je to da elektrane treba graditi na pučini jer u blizini obale valovi slabe. To znatno povećava cijenu gradnje, ali nastaju i problemi prijenosa te energije do korisnika. Rezultati u trenutnoj fazi dospjeli su tek do prototipova i demonstracijskih uređaja. Iskorištavanje energije valova također će biti ograničeno zbog geografskih čimbenika ekonomskih ograničenja, u prvom redu izazvanih problemom prijenosa tako proizvedene električne energije i održavanjem postrojenja.,

Energija vjetra

Iskorištavanje energije vjetra je najbrže rastući segment proizvodnje energije iz obnovljivih izvora. U zadnjih nekoliko godina turbine na vjetar znatno su poboljšane. Najbolji primjer je njemačko tržište turbina na kojemu se prosječna snaga od 470 kW 1995. godine povećala na 1280 kW 2001. godine. 

Ovo povećanje snage postiglo se odgovarajućim povećavanjem veličine turbina gonjenih vjetrom. Trenutno su u razvoju turbine koje će moći generirati snagu između 3 i 5 MW. Neki proizvođači već su predstavili svoje prototipove u tom razredu snage (njemačka tvrtka Enercon trebala bi proizvesti turbinu snage 4.5 MW).

Energija vjetra je transformirani oblik sunčeve energije. Sunce neravnomjerno zagrijava različite dijelove Zemlje i to rezultira različitim tlakovima zraka, a vjetar nastaje zbog težnje za izjednačavanjem tlakova zraka. Postoje dijelovi Zemlje na kojima pušu takozvani stalni (planetarni) vjetrovi i na tim područjima je iskorištavanje energije vjetra najisplativije. Dobre pozicije su obale oceana i pučina mora. Pučina se ističe kao najbolja pozicija zbog stalnosti vjetrova, ali cijene instalacije i transporta energije koče takvu eksploataciju. 

Kod pretvorbe kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju (okretanje osovine generatora) iskorištava se samo razlika brzine vjetra na ulazu i na izlazu. Albert Betz, njemački fizičar dao je još davne 1919. godine zakon energije vjetra, a koji je publiciran 1926. godine u knjizi “Wind-Energie”. Njime je dan kvalitativni aspekt znanja iz mogućnosti iskorištavanja energije vjetra i turbina na vjetar. Njegov zakon kaže da možemo pretvoriti manje od 16/27 ili 59% kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju pomoću turbine na vjetar. 59% je teoretski maksimum, a u praksi se može pretvoriti između 35% i 45% energije vjetra.

Kao dobre strane iskorištavanja energije vjetra ističu se visoka pouzdanost rada postrojenja, nema troškova za gorivo i nema zagađivanja okoline. Loše strane su visoki troškovi izgradnje i promjenjivost brzine vjetra (ne može se garantirati isporučivanje energije). Za domaćinstva vrlo su interesantne male vjetrenjače snage do nekoliko desetaka kW. One se mogu koristiti kao dodatni izvor energije ili kao primarni izvor energije u udaljenim područjima. Kad se koriste kao primarni izvor energije nužno im se dodaju baterije (akumulatori) u koje se energija sprema kad se generira više od potrošnje. Velike vjetrenjače često se instaliraju u park vjetrenjača i preko transformatora spajaju se na električnu mrežu.

Europska unija i SAD izradile su atlase svojih resursa vjetra za brzine vjetra na 45 metara iznad površine zemlje. Trenutno za Hrvatsku ne postoji takav atlas jer je mjerenje potrebnih brzina vjetra dugotrajan i skup proces. Iz tih karata može se vidjeti da je jedna četvrtina površine Europske unije idealna za instaliranje vjetrenjača. Danska mjeri svoje potencijale vjetra još od 1979. godine. Rezultat toga je da Danska danas ima najpreciznije informacije o vjetru, a to iskorištava za postavljanje novih vjetrenjača. Sjedinjene Američke Države uložile su golema sredstva u izradu atlasa potencijalne energije vjetra za sva svoja područja. Gotovo 50 % ukupne površine SAD-a izuzetno je povoljno za iskorištavanje energije vjetra. Tu, dakako, dolaze visoki prostori zapadne i jugoistočne obalne fasade, osobito sjeverna područja uz Kanadu, gdje se udio električnih potencijala vjetra kreće od 15% do čak 36%. Taj centralni dio prostora SAD-a odnosi se na goleme površine pod prerijama. 

Solarna energija

Sunce je nama najbliža zvijezda te, neposredno ili posredno, izvor gotovo sve raspoložive energije na Zemlji. Sunčeva energija potječe od nuklearnih reakcija u njegovom središtu, gdje temperatura doseže 15 milijuna °C. Radi se o fuziji, kod koje spajanjem vodikovih atoma nastaje helij, uz oslobađanje velike količine energije. Svake sekunde na ovaj način u helij prelazi oko 600 milijuna tona vodika, pri čemu se masa od nekih 4 milijuna tona vodika pretvori u energiju. Ova se energija u vidu svjetlosti i topline širi u svemir pa tako jedan njezin mali dio dolazi i do Zemlje. Nuklearna fuzija odvija se na Suncu već oko 5 milijardi godina, kolika je njegova procijenjena starost, a prema raspoloživim zalihama vodika može se izračunati da će se nastaviti još otprilike 5 milijardi godina. Pod optimalnim uvjetima, na površini Zemlje može se dobiti 1 kW/m2, a stvarna vrijednost ovisi o lokaciji, godišnjem dobu, dobu dana, vremenskim uvjetima itd. U Hrvatskoj je prosječna vrijednost dnevne insolacije na horizontalnu plohu 3-4,5 kWh/m2

Osnovni principi direktnog iskorištavanja energije Sunca su:

1.     solarni kolektori - pripremanje vruče vode i zagrijavanje prostorija
2.     fotonaponske ćelije - direktna pretvorba sunčeve energije u električnu energiju
3.      fokusiranje sunčeve energije - upotreba u velikim energetskim postrojenjima

Solarna fotonaponska energija je direktno pretvaranje svjetlosti u električnu energiju na atomskoj razini. Neki materijali pokazuju svojstvo nazvano fotoelektrični efekt koji uzrokuje da apsorbirati fotone svjetlosti i oslobađaju elektrone. Kada uspijemo uhvatiti  slobodne elektrone, nastaje elektricitet koji možemo koristiti kao električnu struju.

Fotoelektrični efekt je prvi primijetio je francuski fizičar, Edmund Bequerel, u 1839, koji je otkrio da neki materijali uspjevaju proizvesti male količine električne struje kada su izloženi suncu.

1905. godine Albert Einstein je opisao prirodu svjetlosti i fotoelektrični efekt na kojoj se temelji fotonaponska tehnologija, za koji je kasnije dobio Nobelovu nagradu za fiziku.

Prvi fotonaponski modul je sagradio Bell Laboratories 1954. godine. Bilo je naplaćeno kao solarna baterija i bio je uglavnom samo kuriozitet kako je to bilo preskupo da se dobije za široku uporabu.

Video prikaz rada nuklearne elektrane

Povijest vjetroelektrana

Povijest vjetroelektrana i korištenja energije vjetra seže u doba kada su ljudi prvi puta postavili jedra na brodove i time si omogućili daleka putovanja i isto tako odlučili svoje živote povjeriti u ruke tog nepredvidljivog obnovljivog izvora energije. Može se reći da je na neki način vjetar bio taj koji je pokrenuo eru istraživanja i omogućio prijenos robe i dobara u neslućenim količinama na velike udaljenosti. 

Dugo vremena nakon prvih jedara uslijedilo je korištenje energije vjetra za obavljanje mehaničkog rada u mlinovima i za pokretanje vodenih pumpi (posebice u  Nizozemskoj, na srednjem zapadu SAD-a i u zabačenim dijelovima Australije). U modernim vremenima s dolaskom i izumom električne energije počinju se upotrebljvati u svrhu proizvodnje iste, no tek u zadnja dva desetljeća zbog sve većeg zagađenja okoliša počinju svoj značajan uzlet, da bi danas to bio jedan od glavnih izvora energije za blisku budućnost.

Vjetroelektane

Vjetroelektana je niz blisko smještenih vjetroagregata, najčešće istog tipa, izloženih istom vjetru i priključenih posredstvom zajedničkog rasklopnog uređaja na elektroenergetski sustav. Vjetroagregat je rotirajući stroj koji pretvara kinetičku energiju vjetra prvo u mehaničku, a zatim preko električnih generatora u električnu energiju. Pri tome se rotor vjetro turbine i rotor električnog generatora nalaze na istom vratilu. Vjetroelektana je obnovljivi izvor električne energije pokretan kinetičkom energijom vjetra.

Energija vjetra je u stvari oblik sunčeve energije. Sunce neravnomjerno zagrijava različite dijelove Zemlje i to rezultira različitim tlakovima zraka, a vjetar nastaje zbog težnje za izjednačavanjem tlakova zraka. Postoje djelovi Zemlje na kojima puše tzv. stalni (planetarni) vjetrovi i na tim područjima je iskorištavanje energije vjetra najisplativije. Dobre položaji su obale mora i oceana (priobalna vjetroelektrana), te pučina mora (plutajuća vjetroelektrana). Pučina se ističe kao najbolji položaj zbog stalnosti vjetrova, ali cijene ugradnje i prijevoza energije usporavaju takva ulaganja.

Kod pretvorbe kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju (okretanje osovine generatora) iskorištava se samo razlika brzine vjetra na ulazu i na izlazu. Albert Betz, njemački fizičar dao je još davne 1919. zakon energije vjetra, poznat kao Betzov zakon. Njegov zakon kaže da možemo pretvoriti samo manje od 16/27 ili 59% kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju pomoću turbine na vjetar. 59% predstavlja teoretski maksimum, ali u primjeni se može pretvoriti između 35% i 45% energije vjetra zbog raznih gubitaka u sustavu.

Princip rada nuklearne elektrane

Nuklearne elektrane kao gorivo koriste izotop urana U-235 koji je vrlo pogodan za fisiju. U prirodi se može naći uran sa više od 99% U-238 i svega oko 0.7% U-235. Dok U-238 apsorbira brze neutrone, U-235 se u sudarima sa sporim neutronima raspada na vrlo radioaktivne, fisijske produkte, a pri tom se oslobađa još brzih neutrona (slika). Usporavanjem tih brzih neutrona u sudarima s molekulama teške vode, koja se pri tome zagrijava, ostvaruje se lančana reakcija. Oslobođena toplina jest toliko željena energija. U nuklearnim reaktorima se taj proces događa cijelo vrijeme u strogo kontroliranim uvjetima (izuzevši nekoliko trenutaka u Černobilju). Atomska bomba rezultat je namjerno izazvane prevelike koncentracije slobodnih neutrona koji se tada sudaraju sa fisijski osjetljivim atomima i na taj način ostvaruju nekontroliranu eksploziju energije. Iako urana u prirodi ima relativno puno (sto puta više od srebra) izotopa U-235 ima malo. Zbog toga se provodi postupak obogaćivanja urana. U konačnoj upotrebljivoj fazi, nuklearno gorivo biti će u formi tableta dugih oko dva i pol centimetra. Jedna takva tableta može dati otprilike istu količinu energije kao i jedna tona ugljena. Energija koja se oslobađa sudaranjem neutrona sa uranom koristi se za zagrijavanje vode. Ta voda (para) tada pokreče generator, a nakon toga treba je rashladiti i ponovo vratiti u reaktor. Za to je potreban stalan i veliki protok vode oko jezgre reaktora. Na primjer nuklearna elektrana Krško koristi rijeku Savu za hlađenje.

Iskorištavanje nuklearne energije po državama

Država koja proizvodi najveći udio svoje električne energije u nuklearnim elektranama je Francuska sa 75% proizvedene električne energije u nuklearnim elektranama. Slijede je Litva sa 73%, Belgija sa 58%, Bugarska, Slovačka i Švedska sa 47%, Ukrajina sa 44% i Republika Koreja sa 43%. U još deset država iz nuklearne energije proizvodi se po više od 25% električne energije. SAD proizvode 19.8% svoje električne energije u nuklearnim elektranama, ali zbog velikog opsega proizvodnje zauzimaju najveći udio u ukupno proizvedenoj energiji u nuklearnim elektranama sa 28%. Slijedi ih Francuska sa 18% i Japan sa 12%.

Sa povećanjem broja država koje imaju nuklearne elektrane, povećao se i rizik da gorivo iz nuklearnih elektrana dođe do pojedinaca koji ga žele upotrijebiti za svrhe koje nisu mirnodopske. U zadnje vrijeme je aktualan terorizam, a teroristi bi s nuklearnom tehnologijom mogli prouzročiti ogromnu nuklearnu katastrofu. Kod zaštite od zlonamjernog korištenja nuklearne energije i političari i znanstvenici moraju poduzeti određene mjere. Zbog tog problema međunarodne organizacije nametnule su pravila o sigurnosti za 140 država diljem svijeta. Problem sa čuvanjem nuklearnog goriva (a i radioaktivnog otpada) trenutno je najizraženiji u siromašnim državama koje su nastale raspadom Sovjetskog Saveza.

Nuklearna elektrana

Nuklearna elektrana

Nuklearna elektrana je vrsta termoelektrane koja kao izvor energije koristi toplinu dobivenu fisijama nuklearnog goriva u (barem jednom) nuklearnom reaktoru. Kao i u većini ostalih termoelektrana, dobivena se toplina koristi za proizvodnju pare koja pokreće parnu turbinu spojenu na električni generator.

Krajem 2011. godine u svijetu su u komercijalnom pogonu 434 nuklearna reaktora u elektranama, a još ih je 64 u izgradnji.

Dijelovi nuklearne elektrane

Konverzija energije iz nuklearne u električnu u nuklearnoj se elektrani obavlja posredno, u nekoliko koraka.

Prvi je korak izvlačenje nuklearne energije, pohranjene u jezgrama atoma nuklearnog goriva. Nuklearna se energija pretvara u toplinsku u nuklearnom reaktoru, pomoću lančane reakcije nuklearne fisije. Dobivena toplinska energija se zatim treba odvesti iz reaktora. Mehanizam odvođenja topline ovisi o vrsti nuklearnog reaktora. Najveći broj reaktora koji su danas u pogonu su reaktori s vodom pod tlakom (PWR - Pressurized water reactor). U takvoj vrsti reaktora tekuća voda oplakuje nuklearno gorivo i zagrijava se, te teče prema parogeneratoru. Parogenerator je izmjenjivač topline koji odvaja primarni krug od sekundarnog. Voda potekla iz reaktora (voda primarnog kruga) ulazi u parogenerator i grije vodu sekundarnog kruga, a zatim se pomoću primarnih pumpi vraća u reaktor.

Voda sekundarnog kruga, koja se s primarnom vodom ne miješa, preuzima njenu toplinu kroz stijenke cijevi parogeneratora i vrije. Nastala para se privodi parnoj turbini, gdje predaje svoju energiju rotoru turbine (pretvorba toplinske u mehaničku energiju). Rotor turbine je na istoj osovini kao i rotor električnog generatora, čime se ostvaruje konačna pretvorba energije u električnu. Para izašla iz turbine se odvodi u kondenzator, gdje se hladi i kondenzira, te se pomoću sekundarnih pumpi vraća u parogenerator, zatvarajući tako sekundarni krug.

Nuklearni reaktor

Nuklearni reaktor u nuklearnim elektranama je naprava u kojoj se odvija kontrolirana lančana reakcija nuklearne fisije. Postoji nekoliko podjela energetskih nuklearnih reaktora prema tipu fisije koja se koristi, vrsti goriva, hladioca i moderatora.

Fisijom atoma goriva nastaju brzi neutroni, odnosno atomi velike energije. Ukoliko je reaktor takav da nastavlja lančanu reakciju koristeći brze neutrone, radi se o brzom reaktoru. Međutim, gotovo svi reaktori danas u upotrebi su termički reaktori - oni usporavaju neutrone pomoću moderatora. Usporavanje neutrona se još zove termalizacija, a usporeni neutroni termički.

Gorivo je najčešće prirodni ili obogaćeni uranij u formi metala ili oksida. U nekim se elektranama koristi MOX (mixed-oxide) gorivo, mješavina oksida plutonija i urana.

Hladioc, odnosno rashladni fluid, je medij koji odvodi toplinu nastalu fisijama iz nuklearnog reaktora. Često je hladioc voda (obična ili teška), a može biti i ugljikov dioksid ili helij. Kod brzih reaktora hladioc je rastaljeni metal.

Moderator je tvar koja usporava brze neutrone nastale fisijama do termičkih brzina, odnosno energija (manje od jednog elektronvolta. Ovisno o tipu reaktora, može biti voda (u tom slučaju je voda ujedno i moderator i hladioc) ili grafit. Brzi reaktori nemaju moderatora.

Najzastupljenija vrsta energetskog nuklearnog reaktora danas je reaktor s vodom pod tlakom. To je termički reaktor u kojemu je gorivo slabo obogaćeni uran, najčešće u formi oksida, a obična voda je ujedno i moderator i rashladno sredstvo.

Tlačnik

Tlačnik je naprava kojom se osigurava konstantan tlak primarnog kruga. U osnovi, to je posuda volumena 40-60 m^3 opremljena grijačem snage 1 - 2 MW. Zagrijavanjem u tlačniku može se ispariti određena količina vode, čime se podiže tlak i sprječava isparavanje u reaktoru.

Parogenerator

Parogenerator je naprava koja se nalazi u nuklearnim elektranama s tlakovodnim reaktorima. Pošto se u takvim elektranama vodi ne dopušta ključanje u reaktoru, a svejedno je potrebno proizvesti paru za korištenje parnih turbina, tok vode se dijeli u dva kruga, primarni i sekundarni. Primarnim krugom teče voda koja toplinu proizvedenu fisijama odvodi iz reaktora i predaje je sekundarnoj vodi u parogeneratoru. Na sekundarnoj se strani vodi dozvoljava isparavanje (to se postiže nižim tlakom sekundarnog kruga), te nastala para vrti rotore parnih turbina.

Parogenerator je komponenta nuklearne elektrane u kojoj se odvija predaja topline iz primarnog u sekundarni krug i isparavanje sekundarne vode. U donjem dijelu se nalazi nekoliko tisuća U-cijevi kroz koje teče primarna voda. Oko U-cijevi teče voda sekundarnog kruga, koja s njih uzima toplinu. Para nastala vrenjem sekundarne vode odlazi prema gornjem dijelu parogeneratora, gdje se nalaze separatori vlage, koji osiguravaju da u pari koja odlazi prema turbinama nema kapljica tekuće vode.

Parogeneratori su velike komponente, mase preko stotinu tona, i visine dvadesetak metara. Ovisno o snazi, nuklearna elektrana će imati određen broj reaktora. Može se reći da na svakih tristotinjak megavata električne snage elektrane dolazi po jedan parogenerator. Pošto su nuklearne elektrane redovito velike snage, u pravilu će imati barem dva parogeneratora.

Parne turbine

Parne turbine koje se koriste u nuklearnim elektranama su vrlo slične onima u klasičnim termoelektranama na ugljen. Razlika postoji u elektranama s tlakovodnim reaktorima, gdje su turbine nešto većih dimenzija zbog manjeg tlaka pare.

U svim termoelektranama snage iznad stotinjak MW postojat će više od jedne parne turbine. Turbine se nalaze na zajedničkoj osovini, a razlikuju se po tlaku pare. Para iz parogeneratora, tlaka oko 60 bar kod tlakovodnih, odnosno oko 150 bar kod reaktora s vodom koja ključa, ulaze u visokotlačnu turbinu. Nakon prolaska kroz visokotlačnu turbinu, tlak pare je znatno niži. Iz pare se prije ulaska u niskotlačnu turbinu dodatno separira vlaga, da bi se spriječila oštećenja lopatica turbine. Niskotlačne turbine su dimenzijama veće od visokotlačnih, a ovisno o snazi elektrane postojat će više niskotlačnih turbina (može se uvesti i "srednja" razina tlaka sa srednjotlačnim turbinama).

Električni generator

Električni generatori u upotrebi u nuklearnim elektranama su najčešće 4-polni sinkroni generatori. Električna snaga današnjih nuklearnih elektrana iznosi od 500 do 1500 MW po reaktoru. Na lokaciji nuklearne elektrane se može nalaziti više reaktora, ali na svaki reaktor dolazi po jedan generator.

Ostali dijelovi sekundarnog kruga

Kondenzator je izmjenjivač topline u kojem se para koja je prošla kroz turbine kondenzira, kako bi se mogla vratiti u parogenerator i zatvoriti sekundarni krug. Sastoji se od dva dijela, od kojih jedan pripada sekundarnom, a drugi tercijarnom krugu. Nakon što svoju energiju preda u turbini, para je već djelomično kondenzirana, a tlak joj je redovito manji od atmosferskog. Na taj se način iz pare izvlači maksimalna količina energije, odnosno povećava se faktor iskorištenja elektrane. Takva mokra para ulazi u sekundarni dio kondenzatora. Tercijarnim dijelom teče voda iz obližnje rijeke ili mora, koja preuzima preostalu, neiskoristivu toplinu i odvodi je iz elektrane.

U primarnom krugu postoji nekoliko rashladnih pumpi, ovisno o broju rashladnih petlji. Primarne pumpe su centrifugalnog tipa, pogonjene asinkronim motorom snage oko 6 MW, te se njima voda ohlađena u parogeneratoru vraća nazad u reaktor.

Sekundarne pumpe imaju ulogu jednaku onima u termoelektranama na ugljen ili naftu: pumpanje vode iz kondenzatora u isparivač, što je u ovom slučaju sekundarni dio parogeneratora.

Manje se pumpe koriste na više mjesta za cirkuliranje rashladnih fluida koji odvode toplinu nastalu radom razne opreme, najčešće motora. Te pumpe su pomoćne, odnosno ne sudjeluju direktno u ciklusu kojim se proizvodi električna energija.