0
Dr Božo Ilić
ENERGIJA I ENERGETSKA EFIKASNOST
Visoka tehnička škola strukovnih studija
Novi Sad, 2019 god.
1
SADRŢAJ
1. ENERGIJA ................................................................................... 4
1.1 Oblici energije ....................................................................... 4
1.2 Energetika.............................................................................. 5
1.3 Elektroenergetika .................................................................. 5
1.4 Potrebe čovečanstva za energijom ........................................ 6
2. NEOBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE ....................................... 9
2.1 Ugalj ...................................................................................... 9
2.2 Nafta .................................................................................... 10
2.3 Prirodni gas ......................................................................... 10
2.4 Nuklearna energija .............................................................. 11
3. OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE .......................................... 13
3.1 Energija vodotokova (hidroenergija) .................................. 17
3.2 Energija vetra ...................................................................... 20
3.3 Energija sunca (solarna energija) ........................................ 24
3.4 Geotermalna energija .......................................................... 32
3.5 Energija okeana ................................................................... 38
3.6 Gorivne ćelije ...................................................................... 39
3.7 Biomasa ............................................................................... 41
3.7.1 Prednosti korišćenja energije biomase ............................ 45
3.7.2 Nedostaci korišćenja energije biomase............................ 48
3.7.3 Korišćenje energije biomase ............................................ 48
3.7.3.1 Termičko-hemijska konverzija biomase ................................................................ 49
3.7.3.2 Mehanička konverzija biomase ............................................................................. 52
2
Pitanja na koja treba obratiti posebnu pažnju!
1. Kako se definiše energija?
2. Koja je jedinica za energiju?
3. O čemu govori zakon o odrţanju energije?
4. Šta je rad?
5. Šta predstavlja snaga?
6. Na koje načine se moţe smanjiti potrošnja električne energije?
7. U kojim oblicima se moţe pojaviti energija?
8. Čime se bavi energetika?
9. Koji su zadaci energetike?
10. Čime se bavi elektroenergetika?
11. Zbog čega je električna energija trenutno najvaţniji oblik energije?
12. Kojim izvorima energije trenutno svet pokriva svoje energetske potrebe?
13. Koja su dva osnovna problema kod neobnovljivih izvora energije?
14. Zbog čega su fosilna goriva vrlo štetna za okolinu?
15. Zbog čega su nukleran goriva opasna za ţivotnu sredinu?
16. Da li su obnovljivi izvori energije potpuno čisti?
17. Zašto se biomasa ne smatra potpuno čistim obnovljivim izvorom energije?
18. Zbog čega je došlo do globalnog porasta temperature na Zemlji?
19. Objasniti šta znači pojačani efekat staklene bašte?
20. Koje su posledice globalnog zagrevanja?
21. Šta je opšti trend u svetu, da bi se zaustavile ili bar ublaţile navedene negativne pojave
koje uzrokuje korišćenje neobnovlijvih izvora energije i omogućio održivi razvoj?
22. Na koja dva načina se u svetu teţi ka smanjenju potrošnje neobnovljivih izvora energije
(fosilnih goriva)?
23. Šta je odrţivi razvoj?
24. Šta znači energetska efikasnost?
25. Šta se podrazumeva pod štednjom energije?
26. Čemu sve doprinosi korišćenje obnovljivih izvora energije i poboljšanje energetske
efikasnosti?
27. Koji su neobnovljivi izvori energije?
28. Šta spada u fosilna goriva?
29. Kako su nastala fosilna goriva?
30. Zašto je sa ekološkog stanovišta ugalj najopasniji za okolinu?
31. Zašto je ugalj prljav izvor energije?
32. Kako nastaju kisele kiše?
33. Šta se postiţe korišćenjem tehnologija za prečišćavanje uglja?
34. Na koje načine nafta negativno utiče na ţivotnu sredinu?
35. Zašto se prirodni gas smatra idealnim fosilnim gorivom?
36. Šta je to tečni prirodni gas?
37. Da li je tečni prirodni gas zapaljiv?
38. Kojim postupcima se dobija nuklerana energija?
39. Šta je fisija?
40. Šta je fuzija?
41. Šta je glavni problem kod nuklearnih elektrana?
3
42. Kako se dele izvori energije u prirodi s obzirom na mogućnost obnavljanja?
43. Šta su to obnovljivi izvori energije?
Koji su obnovljivi izvori energije?
44. Šta je otpad?
45. Šta je komunalni čvrsti otpad?
46. Šta je kogeneracija?
47. Koje se efekti potiţu kogeneracijom?
48. Zašto je energija vodotokova (hidroenergija) najčešće korišćeni obnovljivi izvor energije
za proizvodnju električne energije?
49. Koje su prednosti hidroelektrana?
50. Koji su nedostaci velikih hidroelektrana?
51. Kako se računa neto snaga male hidroelektrane?
52. Šta je vetar?
53. Kako se ranije, a kako danas koristi energija vetra?
54. Koje su dobre strane korišćenja energije vetra?
55. Koje su loše strane korišćenja energije vetra?
56. Koja zemlja je lider u proizvodnji električne energije iz energije vetra?
57. Šta su to ofshore elektrane na vetar?
58. Od čega potiče Sunčeva energija?
59. Koji su osnovni principi direktnog korišćenja energije Sunca?
60. U kom obliku se sunčeva energija širi kroz svemir, pa jedan mali deo dolazi do Zemlje?
61. Koji postoje načini korišćenja solarne energije?
62. Koja su dva osnovna tipa solarnih elektrana?
63. Šta su hibridni solarni sistemi?
64. Koji faktori utiču na intenzitet solarnog zračenja, a time i na efikasnost fotonaponskih
panela?
65. Kako nastaje geotermalna energija?
66. Koji su osnovni načini korišćenja geotermalne energije?
67. Šta je biomasa?
68. Iz čega se dobija biomasa?
69. Koje su prednosti korišćenja energije biomase?
70. Koji su nedostaci korišćenja energije biomase?
71. Na koje načine se moţe koristiti energija biomase?
4
1. ENERGIJA
Energija je fizička veličina koja se definiše kao sposobnost sistema da izvrši odreĎeni rad.
Prema meĎunarodnom sistemu mernih jedinica merna jedinica za energiju je dţul J. Ponekad se
kao merna jedinica za energiju koristi i vat-čas Wh. Za količinu proizvedene odnosno utrošene
električne energije uobičajeno se koriste veće merne jedinice od vat-časa Wh, kao što su kilovat-
čas kWh, megavat-čas MWh i gigavat-čas GWh.
Prema zakonu o održanju energije, energija ne moţe ni nastati ni nestati, energija samo
moţe prelaziti iz jednog oblika u drugi. Energije se ne stvara niti uništava. Količina energije u
nekom zatvorenom sistemu je uvek konstantna. Gubitak energije predstavlja deo energije koji se
pretvara u neiskoristivu energiju.
Prelazak energije iz jednog oblika u drugi ili prenos energije, sa jednog tela na drugo
naziva se rad. Prema meĎunarodnom sistemu mernih jedinica rad i energija imaju istu jedinicu
dţul J ili njutn-metar Nm.
Snaga predstavlja brzinu prelaska energije iz jednog oblika u drugi, odnosno izvršeni rad u
jedinici vremena. Prema meĎunarodnom sistemu mernih jedinica, merna jedinica za snagu je vat
W.
U svakom domaćinstvu postoje ureĎaji koji za svoj rad koriste električnu energiju. Na kraju
meseca elektrodistribucija ispostavlja račune za utrošenu električnu energiju. Ukoliko znamo
snagu ureĎaja koje koristimo i ako izmerimo vreme njihovog rada moţemo da procenimo koliko
smo energije potrošili. Jasno je da, što je veća snaga ureĎaja i što ga duţe koristimo, više energije
smo potrošili. Na računima za utrošenu električnu energiju, ona je izraţena u kWh.
Pošto je iz napred izloţenog jasno da je utrošena električna energija direktno
proporcionalna snazi električnog ureĎaja i vremenu njegovog korišćenja, da bi smanjili potrošnju
energije u domaćinstvu treba se truditi da smanjimo ili jedan ili drugi faktor. Pri ovome je takoĎe
veoma vaţna efikasnost ureĎaja. Podsetimo se neverovatno male efikasnosti sijalice sa uţarenom
niti koja od 60 W snage u svetlost konvertuje samo 5 W dok ostatak predstavlja toplotne gubitke.
Dakle, zamena takvih sijalica energetski efikasnijim dovodi do značajnog smanjenja utrošene
električne energije.
1.1 OBLICI ENERGIJE
Energija se moţe pojaviti u nekoliko različitih oblika, i to kao:
- potencijalna energija, koja je posledica poloţaja koji objekat ima u odnosu na druge
objekte;
- kinetička energija, koja je posledica kretanja tela;
- toplotna energija, koja je posledica zagrejanosti tela;
- hemijska energija, koja je posledica hemijskih veza izmeĎu supstanci objekta;
- nuklearna energija, koja je posledica nestabilnosti atomskih jezgara objekta;
- električna energija, koja je posledica kretanja naelektrisanih čestica kroz provodnik;
- elektromagnetna energija, koja je posledica elektromagnetnog zračenja, koje moţe biti
svetlost, radio talasi itd.
Nabrojani oblici energije kao i svi ostali koji nisu spomenuti, mogu da prelaze iz jednog
oblika u druge i da se koriste za vršenje rada, slika 1.3., meĎutim uvek je ukupna količina
energije konstantna odnosno odrţana.
5
Slika 1.3. Prelasci energije iz jednog oblika u drugi
1.2 ENERGETIKA
Energetika je oblast privrede koja se bavi proizvodnjom, prenosom i distribucijom
energenata i energije. Energetika se bavi proizvodnjom i transportom čvrstih, tečnih i gasovitih
energenata kao i električnom i nuklearnom energijom.
Neki oblici energije se dobijaju iz fosilnih goriva (uglja, nafte, gasa) i drugih neobnovljivih
izvora energije (nuklearne energije), dok se drugi dobijaju iz obnovljivih izvora energije (energije
vodotokova, energije vetra, energije Sunca, geotermalne energije itd.). Energija se troši najviše u
oblasti transporta, grejanja, osvetljenja i u tehnološkim procesima.
Jedan od zadataka energetike je ekonomična proizvodnja i smanjenje gubitaka energije,
efikasna distribucija do potrošača i izbor optimalnog načina transporta. Pored ovoga značajan
zadatak je i smanjenje negativnih uticaja na ţivotnu sredinu. Ovde se prvenstveno misli na
smanjenje emisije gasova koji su uzrok efekta staklene bašte (ugljen-dioksida), ali i ostalih
štetnih čestica koje nastaju tokom procesa proizvodnje energije (sumpornih i azotnih oksida,
pepela, čaĎi itd.).
1.3 ELEKTROENERGETIKA
Elektroenergetika je oblast elektrotehnike koja se bavi proizvodnjom, prenosom i
distribucijom električne energije, kao i električnim ureĎajima priključenim na takve sisteme, kao
što su: generatori, elektromotori, transformatori i ureĎaji energetske elektronike.
Iako je veći deo ove oblasti usmeren na trofazne naizmenične sisteme, koji su standard za
prenos i distribuciju, značajan deo oblasti bavi se konverzijom jednosmerne u naizmeničnu struju
6
i obrnuto, kao i razvojem specijalnih sistema koji se koriste u avionima i elektrifikovanoj
ţeleznici.
Elektriĉna energija neosporno je trenutno najvaţniji oblik energije koji koristi
čovečanstvo, jer se relativno jednostavno transportuje i što je najvaţnije, jednostavno se moţe
pretvoriti u ostale korisne oblike energije poput kinetičke i toplotne energije.
Električna energija se trenutno najvećim delom proizvodi iz fosilnih goriva i to uglavnom
iz uglja. Pošto fosilna goriva imaju negativne posledice na okolinu i nisu neiscrpna, sve se više
koriste obnovljivi izvori energije za proizvodnju električne energije, kao što su:
energija vodotokova,
energija vetra,
energija Sunca,
geotermalna energija itd.
1.4 POTREBE ČOVEČANSTVA ZA ENERGIJOM
Preokupacije savremene civilizacije su da obezbedi dovoljno hrane za sve veći broj
stanovnika, dovoljno sirovina za savremenu industrijsku proizvodnju i dovoljno jeftine i
kvalitetne energije. Pomanjkanje bilo hrane, sirovina ili energije dovelo bi do ozbiljnih
poremećaja u savremenoj privredi i društvu.
Nedostatak energije imao bi katastrofalne posledice, jer bi celokupna savremena tehnika
bila paralisana, a proizvodnja manuelnim putem bila bi isuviše skromna da obezbedi dovoljno
dobara potrebnih za zadovoljenje sadašnjeg nivoa društvenih potreba. Znači, obezbeĎenje
dovoljnih količina energije jedan je od ključnih uslova za opstanak i razvoj naše civilizacije.
Trenutno svet pokriva svoje energetske potrebe uglavnom neobnovljivim izvorima
energije:
fosilnim gorivima (ugljem, naftom i prirodnim gasom) i
nuklearnim gorivima (uranijum, torijum i dr.).
Dva osnovna problema kod neobnovljivih izvora energije su:
da ih ima u ograničenim količinama i
da su štetni za okolinu.
Kao što i samo ime kaţe, neobnovljivi izvori energije nisu obnovljivi, a to znači da ne
mogu trajati večno, te će u odreĎenom trenutku biti potrošeni.
Fosilna goriva su vrlo štetna za okolinu, jer prilikom sagorevanja:
emituju u atmosferu velike količine ugljen-dioksid CO2 i druge gasove koji pojačavaju
efekat staklene bašte (npr. metan CH4).zbog čega je došlo do globalnog porasta
temperature na Zemlji.
- emituju u atmosferu velike količine gasova (ugljen monoksida, sumpor dioksida,
azotnih oksida), dima, pepela, prašine i drugih čestica koje zagaĎuju ţivotnu sredinu.
Emisija CO2 iz fosilnih goriva će biti povezana sa sve većim brojem budućih javnih
zdravstvenih rizika.
Nuklearna goriva nisu opasna za atmosferu, ali supstance nastale kod nuklearne reakcije
ostaju radioaktivne još godinama i moraju biti uskladištene u posebnim prostorijama. Znači,
fisijom nuklearnih goriva nastaju opasni radioaktivni materijali.
7
Obnovljivi izvori energije ne zagaĎuju okolinu u tolikoj meri kao neobnovljivi, ali nisu ni
oni svi potpuno čisti. To se naročito odnosi na energiju dobijenu iz biomase, kao i fosilna goriva,
prilikom sagorevanja ispušta CO2, pepeo i druge nečistoće, mada prilikom rasta apsorbuje CO2,
te se u tom pogledu smatra neutralnom.
Trenutno je najizraţeniji negativni efekat fosilnih goriva - globalno zagrevanje, moţda
najveći izazov s kojim se čovečanstvo srelo u svojoj istoriji. U 20 veku temperatura na Zemlji je
porasla za oko 1,1°C, a nivo mora je porastao za 20 cm. Očekuje se da će do 2100 godine
temperatura na Zemlji porasti za oko 5°C, ako se dosadašnjim intenzitetom nastavi emisija
gasova koji pojačavaju efekat staklene bašte.
Globalno zagrevanje je rezultat preterane upotrebe fosilnih goriva (uz naftu tu su zemni gas
i ugalj) koja prilikom sagorevanja ispuštaju štetni ugljen-dioksid. Taj ugljen-dioksid odlazi u
atmosferu i glavni je krivac za trend povećana prosečnih temperatura na Zemlji i klimatskih
promena koje su posledica globalnog zagrevanja.
U današnje vreme izraz globalno zagrevanje se uobičajeno koristi da označi zagrevanje
površine Zemlje koje je uzrokovano pojačanim efektom staklene bašte. Pojačani efekat staklene
bašte, je posledica povećane koncentracije gasova sa efektom staklene bašte u višim slojevima
atmosfere, koja dovodi do povećanja količine zračenja koje ne moţe od površine Zemlje da bude
emitovano u svemir, već ga atmosfera upija, usled čega dolazi do porasta temperature niţih
slojeva atmosfere i zagrevanja Zemljine površine, slika 1.
Slika 1. Efekat staklene bašte
Posledice globalnog zagrevanja su:
- ţivi svet na Zemlji je sve ugroţeniji, sve više izumiru razne biljne i ţivotinjske vrste;
- poremećaji u lancima ishrane;
- podizanje nivoa mora i okeana zbog topljenja lednjaka i glečera;
- sve češća pojava oluja, poplava i suša;
- uticaj na poljoprivredu itd.
Rešenje problema globalnog zagrevanja se moţe ostvariti smanjenjem emisije gasova sa
efektom staklene bašte, što se postiţe smanjenjem upotrebe fosilnih goriva. Кjoto protokolom sve
zemlje u svetu se obavezuju da smanje emisiju gasova sa efektom staklene bašte.
Da bi se zaustavile ili bar ublaţile navedene negativne pojave koje uzrokuje korišćenje
neobnovlijvih izvora energije i omogućio održivi razvoj, opšti trend u svetu je teţnja ka
smanjenju potrošnje neobnovljivih izvora energije (fosilnih goriva) i to na dva načina:
- korišćenjem obnovljivih izvora energije umesto neobnovljivih i
- poboljšanjem energetske efikasnosti.
8
U ovom trenutku jedino kombinacija smanjenja potrošnje energije (povećanjem energetske
efikasnosti) uz korišćenje obnovljivih izvora energije omogućava dalji razvoj energetike uz
istovremeno očuvanje ţivotne sredine.
Održivi razvoj je razvoj koji zadovoljava potrebe sadašnjice, pri čemu se ne ugroţava
sposobnost budućih generacija da zadovolje svoje potrebe.
Aktuelnosti pojma odrţivog razvoja posebno doprinose izazovi koji dolaze sa ugroţenošću
ţivotne sredine. Neki od tih izazova su:
- globalno zagrevanje,
- oštećenja ozonskog omotača,
- efekat staklene bašte,
- nestanak šuma,
- pretvaranje plodnog zemljišta u pustinje,
- pojava kiselih kiša,
- izumiranje ţivotinjskih i biljnih vrsta.
Zbog navedenog su se drţave EU, i mnoge druge drţave, opredelile da u svoje strategije
energetskog razvoja i zaštite ţivotne sredine ugrade planove za poboljšanje efikasnosti korišćenja
energije i da uspostave zakonodavni okvir u kojem će ti planovi biti ostvareni. Za EU zgrade
postaju posebno vaţan sektor koji moţe doprineti ispunjavanju obaveza smanjenja gasova sa
efektom staklene bašte prema Kjoto protokolu.
Energetska efikasnost znači upotrijebiti manju količinu energije (energenata) za obavljanje
istog posla odnosno funkcije (grejanje ili hlaĎenje prostora, osvetljenje, proizvodnja raznih
proizvoda, pogon vozila itd.). Vaţno je istaći da se energetska efikasnost nikako ne sme
posmatrati kao štednja energije, jer štednja uvek podrazumeva odreĎena odricanja, dok efikasna
upotreba energije nikada ne narušava uslove rada i ţivota. Naprotiv poboljšana efikasnost
upotrebe energije rezultira njenom smanjenom potrošnjom za istu količinu proizvoda ili usluge,
što na kraju donosi novčane uštede. Mere za poboljšanje energetske efikasnosti se mogu
realizovati kako u oblasti proizvodnje (na strani proizvoĎača) tako i u oblasti potrošnje energije
(na strani korisnika). Pod merama energetske efikasnosti podrazumevaju se mere koje se
preduzimaju u cilju smanjenja potrošnje i gubitaka energije.
Кorišćenje obnovljivih izvora energije i poboljšanje energetske efikasnosti doprinosi:
smanjunju emisija gasova koji pojačavaju efekat staklene bašte (pre svega CO2 i
metana), što doprinosi smanjenju globalnog zagrijavanja;
smanjenju uvoza fosilnih goriva;
otvaranju novih radnih mesta (navedena tri efekta se nazivaju efekat “3E”- ekologija,
energetika, ekonomija);
- energetskoj nezavisnosti, jer se smanjuje zavisnost od uvoza energetskih sirovina i
električne energije;
razvoju lokalne industrije;
- povećava se energetska odrţivost sistema;
- pojavljuju se novi proizvodni programi i usluge;
- stvaraju se mogućnosti za upotrebu različitih izvora energije;
efikasnijem korišćenju sopstvenih potencijala u proizvodnji energije itd.
9
2. NEOBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE
Neobnovljivi izvori energije su:
fosilna goriva, su:
ugalj,
nafta,
prirodni (zemni) gas,
uljani škriljci i
nuklearna goriva (energija)
Ugalj, nafta i prirodni gas se nazivaju fosilnim gorivima. Samo ime fosilna goriva govori o
njihovom nastanku. Pre mnogo miliona godina ostaci biljaka i ţivotinja počeli su se taloţiti u
podnoţjima okeana ili na tlu. Vremenom su te ostatke prekrivali slojevi blata, mulja i peska. U
tim uslovima razvijale su se ogromne temperature i veliki pritisci, što su idealni uslovi za
pretvaranje ostataka biljaka i ţivotinja u fosilna goriva.
2.1 UGALJ
Gledano sa ekološkog aspekta, ugalj je najopasniji izvor energije za okolinu, jer u
atmosferu uz ugljen-dioksid ispušta sumpor i neke druge supstance. Sumpor se u atmosferi spaja
s vodenom parom i gradi sumpornu kiselinu, koja pada na zemlju u obliku kiselih kiša.
Ugalj je, kao i svi fosilni izvori energije, najvećim delom izgraĎen od ugljenika i vodonika.
Kad ugalj sagoreva ugljenik se meša sa kiseonikom iz vazduha i na taj način formira ugljen-
dioksid. Ugljen-dioksid je gas bez boje i mirisa, a u atmosferi je jedan od gasova sa efektom
staklene bašte. Većina naučnika veruje da je globalno povećanje temperature uzrokovano upravo
otpuštanjem ugljen-dioksida u atmosferu.
Unutar uglja zarobljene su i neke nečistoće, kao na primer sumpor, ţelezo i azot, kojih ima
manje. Kada ugalj sagoreva, te nečistoće otpuštaju se u atmosferu. U atmosferi se te čestice
spajaju sa parom (na primer u oblacima) i formiraju kapljice koje padaju na zemlju kao slabe
sumporne i azotne kiseline - kisele kiše.
Unutar uglja postoje još i sitne čestice minerala. Te čestice ne sagorevaju i stvaraju pepeo
koji ostaje nakon sagorevanja. Jedan deo tih čestica biva uhvaćen u vrtlog gasova i, zajedno sa
parom, formira dim koji dolazi iz elektrana na ugalj.
Na osnovu svega navedenog čini se da je ugalj vrlo prljav izvor energije. Pre mnogo godina
je bio prljav, ali u zadnjih 20 godina naučnici su pronašli načine da uhvate veliki deo nečistoća
pre nego što odu u atmosferu. Danas postoje tehnologije koje mogu prečistiti 99% sitnih čestica i
ukloniti 95% nečistoća koje prouzrokuju kisele kiše. TakoĎe, postoje tehnologije efikasnijeg
sagorevanja uglja, koje smanjuju emisiju ugljen-dioksida u atmosferu.
Kao primer prečišćavanja uglja moţe se uzeti eliminacija sumpora. Količina sumpora u
uglju puno zavisi od nalazišta. U nekim nalazištima ima oko 10% sumpora u uglju, a postoje i
nalazišta sa manje od 1% sumpora. Jedna od metoda za prečišćavanje uglja je usitnjavanje i
jednostavno ispiranje. Na taj način se ne moţe ukloniti sav sumpor, jer je jedan deo atoma
sumpora ukomponiran sa ugljenikom. Taj deo se moţe ukloniti, ali trenutne tehnologije su
preskupe za masovnu primenu. Zbog toga u svim modernim elektranama na ugalj postoje ureĎaji
koji uklanjaju sumpor iz gasova nakon sagorevanja, pre nego što odu u atmosferu. Usprkos svim
postupcima prečišćavanja, jedan deo nečistoća izlazi u atmosferu i uništava prirodu.
Od svih fosilnih goriva uglja ima najviše, a ima i najduţu istoriju upotrebe. Dve najvaţnije
upotrebe uglja su proizvodnja čelika i električne energije. Ugalj daje oko 23% ukupne primarne
10
energije u svetu. 38% proizvedene električne energije u svetu dobija se od uglja. Za oko 70%
proizvodnje čelika u svetu potreban je ugalj kao ključni sastojak. U parnim mašina koristio se
ugalj za proizvodnju pare. 1880. godine ugalj je prvi put upotrebljen za proizvodnju električne
energije.
Moţe se reći da od 100% raspoloţive energije goriva koja se troši u termoelektranama
samo 20 do 25% stiţe kao električna energija ispred potrošača. Sagledavajući sve procese i
gubitke pri proizvodnji električne energije, skupu opremu, odrţavanje, uloţeni rad i sl., očigledno
je da nema logike tu električnu energiju na kraju trošiti za grejanje prostorija da bi se odrţavala
temperatura vazduha od 20°C.
Prilikom sagorevanju fosilnih goriva u termoelektranama emituje se ogromna količina CO2
koji je glavni uzročnik pojačanja efekta staklene bašte, odnosno klimatskih promena. A ukoliko
nema instaliranih dopunskih filtara (i oni su skupi), vrši se i lokalno zagaĎenje ţivotne sredine sa
SO2, NOx i drugim otrovnim materijama.
2.2 NAFTA
Nafta je izvor zaista raznovrsnih produkata i derivata i jedan je od najvaţnijih energenata
modernog industrijskog sveta. Nafta ima višestruku primenu, koristi se ne samo za dobijanje
pogonskog goriva za razna prevozna i transportna sredstva, već i u proizvodnji plastike, asfalta,
za dobijanje petroleja, te raznih drugih industrijski upotrebljivih derivata.
Najveća negativna posledica upotrebe nafte je već navedeno globalno zagrevanje koje je
ekološki problem broj jedan modernog sveta.
Prilikom sagorevanja naftnih derivata oslobaĎaju se velike količine ugljen-dioksida u
atmosferu. Ugljen-dioksid je gas sa efektom staklene bašte i njegovim ispuštanjem u atmosferu
utiče se na povećanje globalne temperature na zemlji.
Osim globalnog zagrevanja veliki problem predstavljaju i izlivi tankera s naftom koji
stvaraju velike ekološke probleme u okeanima, zagaĎuju okeane i uništavaju biljni i ţivotinjski
svet koji tu ţivi.
Usprkos svim poboljšanjima tehnologija bušenja i transporta, još uvek se dogaĎaju izlivi
nafte u mora, a to rezultira gotovo potpunim uništenjem biljnog i ţivotinjskog sveta u tom delu
mora. Iako je zagaĎenje mora isticanjem sirove nafte veliko, ono je u poreĎenju sa zagaĎenjem
vazduha korišćenjem naftnih derivata zanemarljivo.
Da bi smanjile zavisnost od uvoza nafte, većina drţava ima takozvane strateške zalihe koje
osiguravaju nezavisnost od uvoza na nekoliko meseci. Te zalihe pomaţu i kod naglih povećanja
cene nafte za amortizaciju.
2.3 PRIRODNI GAS
Prirodni gas se sastoji od metana, koji se sastoji od jednog atoma ugljenika i četiri atoma
vodonika (CH4). Metan je visoko zapaljiv i sagoreva gotovo potpuno. Nakon sagorevanja ne
ostaje pepeo, a zagaĎenje vazduha je vrlo malo.
Prirodni gas nema boje, ukusa, mirisa ni oblika u svojoj prirodnoj formi, pa je prema tome
ljudima neprimetan. Zbog toga mu kompanije dodaju hemikaliju koja ima miris pokvarenog
jajeta. Taj miris omogućava ljudima laku detekciju ispuštanja gasa u kući.
U mnogo slučajeva prirodni gas je idealno fosilno gorivo, jer je prilično čist, jednostavan
za transport i komforan za upotrebu. Čistiji je od nafte i uglja, pa se sve više spominje i kao
rešenje za postojeće klimatske promene i probleme sa lošim kvalitetom vazduha. Za razliku od
nafte i uglja, prirodni gas ima veći odnos vodonik/ugljenik i ima manju emisiju ugljen-dioksida u
atmosferu za istu količinu energije.
11
Rusija prednjači u zalihama, a slede je drţave srednjeg istoka. Za sada su zemlje srednjeg
istoka više koncentrisane na proizvodnju nafte pa je proizvodnja gasa kod njih mala.
Teĉni gas prirodni gas LNG (Liquefied Natural Gas) je prirodni gas pod visokim
pritiskom i rashlaĎen na vrlo niske temperature tako da poprima tečno agregatno stanje.
Kada se prirodni gas rashladi na -161oC postaje bistra tečnost bez boje, ukusa i mirisa.
Pošto LNG zauzima samo 1/600 deo zapremine prirodnog gasa u gasovitom stanju, to
stanje je pogodno za transport u tankerima po celom svetu. Tankeri (brodovi) koji prevoze LNG-
a moraju imati dvostruku oplatu i specijalno su dizajnirani da podnose niske temperature LNG-a.
LNG sam po sebi nije zapaljiv i izjave u smislu „LNG tankeri su ploveće bombe“ nisu tačne,
pošto LNG nije zapaljiv ne moţe ni eksplodirati. Dokaz za to su mnogi incidenti koji su se
dogodili (znatna isticanja LNG-a, oštećenja nastala vremenskim neprilikama, sudari na moru), a
da još nikad nije eksplodirao tanker s celim svojim sadrţajem.
2.4 NUKLEARNA ENERGIJA
Nuklearna energija je energija koja se dobija postupcima:
nuklearne fuzije i
nuklearne fisije.
Nuklearna fuzija je spajanje dva ili više lakih atomskih u jedan teţi atom uz oslobaĎanje
odreĎene količine energije u obliku raznih zračenja. Energija Sunca posledica je neprestane
nuklearne fuzije koja se odvija u njegovom jezgru i u obliku zračenja širi u svemir, pa tako jedan
mali deo tog zračenja dolazi i do zemlje. Sunce koristi nuklearnu fuziju atoma vodonika u atome
helija. To daje toplotu, svetlost i ostale radijacije koje izlaze iz Sunca.
Nuklearna fisija je takoĎe oslobaĎanje odreĎene količine energije u obliku raznih
zračenja, ali dobija se cepanjem teških atomskih jezgara na dva ili više lakših atoma. Nuklearna
fisija je dovoljno jednostavan proces koji se široko koristi u nuklearnim reaktorima za
proizvodnju električne energije.
Nuklearna energija je energija koja se oslobaĎa ili cepanjem (raspadom) jednog teţeg
atomskog jezgra na dva lakša atoma ili spajanjem dva lakša atomska jezgra u jedan teţi
atom. Kod oba postupka uvek je masa pre reakcije veća od mase nakon reakcije, a razlika u
masama pretvorena je u energiju po Ajnštajnovoj formuli:
E = m·c2
gde je:
E - osloboĎena energija
m - masa
c - brzina svetlosti
To znači da je osloboĎena energija jednaka razlici masa pomnoţenoj s kvadratom brzine
svetlosti.
Nuklearna energija se dobija usled procesa u kojima se deo mase jezgara pretvara u
energiju. Nuklearna energija se zatim koristi za dobijanje toplotne i električne energije u
elektranama, ili se pak oslobaĎa u eksplozijama bombi.
Nuklearne elektrane ne ispuštaju ugljen-dioksid, ali nakon upotrebe nuklearno gorivo je
izuzetno radioaktivno i potrebno ga je uskladištiti više desetina godina (najradioaktivnije i više
stotina godina) u sigurnim betonskim bazenima ili podzemnim bunkerima.
12
U normalnim uslovima nuklearna energija je vrlo čisti izvor energije, ali potencijalne
opasnosti od neke havarije sve više smanjuje broj novoinstalisanih nuklearnih elektrana.
Nuklearna energija se trenutno sve više spominje kao prihvatljivi izvor energije, jer ne
proizvodi nikakve gasove sa efektom staklene bašte i time ne zagreva planetu, kao ostali
neobnovljivi izvori energije.
Trenutno iz nuklearne energije se dobija oko 16% ukupno proizvedene električne energije
u svetu. Naglo korišćenje nuklearne energije moţe se zahvaliti njezinoj čistoći i gotovo nikakvim
ispuštanjem gasova sa efektom staklene bašte. Dobro konstruisane nuklearne elektrane pokazale
su se pouzdanim, sigurnim, ekonomski prihvatljivim i ekološki dobroćudnim.
Glavni problem kod nuklearnih elektrana je ostatak iskorišćenog goriva koji je visoko-
radioaktivni otpad i mora se uskladištiti u specijalnim bazenima (voda hladi nuklearno gorivo i
ponaša se kao štit od radijacije) ili u suvim kontejnerima. Starije i manje radioaktivno gorivo
skladišti se u suvim skladištima, gde se zatvara u specijalne betonske armirane kontejnere.
Kao i svi procesi proizvodnje energije iz neobnovljivih izvora i nuklearne elektrane
proizvode otpad. Kod njih je to radioaktivni otpad i vruća voda. Pošto nuklearne elektrane ne
proizvode ugljen-dioksid, njihovom upotrebom se ne povećava efekat staklene bašte.
Radioaktivni otpad deli se na dve osnovne kategorije: nisko-radioaktivni i visoko-radioaktivni
otpad. Većina nuklearnog otpada je nisko-radioaktivni otpad, to su: obično smeće, alati, zaštitna
odela i ostalo. Taj se otpad kontaminirao sa malim nivoom radioaktivnog praha ili čestica, a mora
se čuvati na način da ne doĎe u kontakt sa predmetima spolja.
Iako su nuklearne elektrane bezazlene za okolinu ukoliko se sve radi po pravilima, velika
pretnja okolini je mogućnost katastrofe prilikom nepravilnog korišćenja. Do sad su se prilikom
mirnodopskog korišćenja nuklearne energije desile tri velike havarije: Černobilj, Otok Tri Milje i
Fukošima.
Nuklearna elektrana je vrsta termoelektrane koja kao izvor energije koristi toplotu
dobijenu fisijama nuklearnog goriva u nuklearnom reaktoru. Kao i u većini ostalih
termoelektrana, dobijena toplota se koristi za proizvodnju pare koja pokreće parnu turbinu
spojenu na električni generator.
Nuklearne elektrane kao gorivo koriste izotop urana U-235 koji je vrlo pogodan za fisiju. U
prirodi se moţe naći uran sa više od 99% U-238 i svega oko 0,7% U-235. U nuklearnim
reaktorima se taj proces dogaĎa celo vreme u strogo kontrolisanim uslovima (osim nekoliko
trenutaka u Černobilju).
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 je u obliku tableta dugih oko 2,5 cm. Jedna takva tableta moţe dati otprilike istu količinu
energije kao i jedna tona uglja.
Energija koja se oslobaĎa sudaranjem neutrona sa uranom koristi se za zagrevanje vode. Ta
voda (para) tada pokreće generator, a nakon toga treba je rashladiti i ponovo vratiti u reaktor. Za
to je potreban stalan i veliki protok vode oko jezgre reaktora.
Atomska bomba rezultat je namerno izazvane prevelike koncentracije slobodnih neutrona
koji se tada sudaraju sa fisijski osetljivim atomima i na taj način ostvaruju nekontrolisanu
eksploziju energije.
Istraţivanja mogućeg korišćenja nuklearne fuzije na zemlji su još u početnoj fazi u obliku
meĎunarodnog ITER projekta, ali za sad nema naznaka da bi se nuklearna fuzija mogla u skorijoj
budućnosti koristiti na zemlji. Cilj projekta ITER je da demonstrira naučnu i tehničku
izvodljivost korišćenja energije fuzije za proizvodnju električne energije i sakupljanje podataka
potrebnih za konstruisanje prve komercijalne fuzijske elektrane.
13
3. OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE
S obzirom na mogućnost obnavljanja izvori energije u prirodi se dele na:
- neobnovljive izvore energije,
- obnovljive izvore energije i
- otpad (komunalni (gradski) čvrsti otpad, komercijalni otpad, industrijski otpad).
Obnovljivi izvori energije su izvori energije koji se nalaze u prirodi i obnavljaju se u celosti
ili delimično, to su:
- energija vodotokova (hidroenergija),
- energija vetra,
- solarna energija (energija Sunca),
- geotermalna energija,
- energija okeana (energija morskih struja i talasa, energija plime i oseke),
- vodonik (gorivne ćelije),
- biomasa, iz koje se moţe dobiti:
čvrsto gorivo,
tečno biogorivo (bioetanol, biometanol, biodizel),
gasovito biogorivo (biogas, sintetički gas),
- deponijski gas,
- gas iz postrojenja za prečišćavanje kanalizacionih i otpadnih voda iz prehrambene i
drvno-preraĎivačke industrije koje ne sadrţe opasne materije itd.
Otpad je svaka materija ili predmet sadrţan u listi kategorija otpada (Q lista) koji vlasnik
odbacuje, namerava da odbaci ili je duţan da odbaci.
Komunalni (gradski) čvrsti otpad je otpad iz domaćinstava (kućni otpad), kao i drugi otpad
koji je zbog svoje prirode ili sastava sličan otpadu iz domaćinstava.
Status povlašćenog proizvoĎača električne energije se uspostavlja da bi se poboljšao
poloţaj na trţištu za odreĎene vrste elektrana, čija je izgradnja od strateškog interesa za Srbiju, a
čiji rad, bez posebnih podsticajnih mera, ne bi bio isplatljiv. Prema Zakonu o energetici to su
prvenstveno elektrane koje:
- koriste obnovljive izvore energije,
- koriste neopasan otpad ili
- istovremeno proizvode električnu i toplotnu energiju i time štede primarnu energiju u
odnosu na proizvodnju istih količina električne energije u odvojenim procesima, ako
postiţu propisanu energetsku efikasnost.
U Srbiji je veoma niska energetska efikasnost i nije adekvatno rešeno pitanje grejanja.
Gradnjom postrojenja za kogeneraciju – postrojenja za kombinovanu proizvodnju električne i
toplotne energije, adekvatno bi se rešavalo pitanje grejanja, povećala bi se proizvodnja električne
energije, a smanjila njena upotreba za grejanje i povećala ukupna energetska efikasnost zemlje.
Pravno lice ili preduzetnik moţe steći status povlašćenog proizvoĎača za:
14
- Elektrane koje u procesu proizvodnje koriste biomasu ili biomasu u kombinaciji sa
nekim dopunskim fosilnim gorivom ili otpadom, ukoliko energetska vrednost
korišćene biomase na godišnjem nivou čini najmanje 80% ukupne primarne energije;
- Elektrane koje električnu energiju proizvode koristeći otpad ili otpad u kombinaciji sa
nekim fosilnim gorivom ili obnovljivim izvorom energije, ukoliko energetska
vrednost korišćenog otpada na godišnjem nivou čini najmanje 80% ukupne primarne
energije;
- Elektrane koje koriste separisanu biorazgradljivu frakciju komunalnog otpada
instalirane snage do 10 MW.
Elektrane na biogas su elektrane koje koriste gas nastao iz ostataka u poljoprivredi (čvrsti i
tečni stajnjak (stajsko Ďubrivo) sa stočarskih i ţivinarskih farmi), iz biomase, iz ostataka biomase
nastalih primarnom preradom poljoprivrednih proizvoda, a koje ne sadrţe opasne materije,
ostatke i delove ţivotinja.
Elektrane na deponijski gas su elektrane koje koriste gas nastao na komunalnim
deponijama ili gas nastao u postrojenjima za prečišćavanje kanalizacionih i otpadnih voda iz
prehrambene i drvno-preraĎivačke industrije koje ne sadrţe opasne materije.
Obnovljivi izvori energije ne zagaĎuju okolinu u tolikoj meri kao neobnovljivi, ali nisu ni
oni svi potpuno čisti. To se posebno odnosi na energiju dobijenu iz biomase koja, kao i fosilna
goriva, prilikom sagorevanja ispušta CO2.
Postoji mnogo razloga zbog kojih su fosilna goriva i dalje dominantni izvori energije u
većini drţava širom sveta. Jedan od glavnih razloga je to što su to tradicionalni izvori energije s
dugom istorijom, a s time dolaze i vrlo jaki lobiji koji su se s vremenom okupili oko fosilnih
resursa. Ovi lobiji su s vremenom postali toliko jaki da mogu znatno uticati na političku volju
drţava i uticati na političare da im daju podršku. Drugi jak razlog za korišćenje fosilnih goriva je
njihova početna cena, cena ovakve energije je inicijalno vrlo niska pa se drţave u razvoju češće
odlučuju na fosilna goriva da bi osigurale jači ekonomski polet. Kina i Indija u zadnje vreme
doţivljavaju snaţan ekonomski procvat koji se s energetske strane zasniva uglavnom na uglju
koji je najjeftinije gorivo. Početna cena fosilnih goriva je niska (nema velikih ulaganja), ali
vremenom se fosilna goriva toliko odomaće da je bilo kakva promena izuzetno teška, a i uvek se
čini da je prelazak na bilo šta drugo nepotrebno skupa opcija. Treći veliki razlog popularnosti
fosilnih goriva je i slaba tehnološka podrška sektoru obnovljivih izvora energije. Ovo je svakako
jedan od glavnih razloga zašto se obnovljivi izvori energije teško probijaju. Sredstva koja su
usmerena u obnovljive izvore energije su izuzetno mala u odnosu na sredstva koja se izdvajaju za
kupovinu, transport, rafinisanje i distribuciju fosilnih goriva, a bez dobre finansijske podrške u
današnjem svetu nemoguće je postići neki veliki rezultat.
Mnogo energetskih stručnjaka veruje da cene fosilnih goriva moraju znatno porasti pre
nego se počne ozbiljno razmišljati o alternativnim izvorima energije. Na primer, za naftu se
smatra da mora biti iznad 100 $ za barel da bi se počele razmatrati alternative na globalnom
nivou, jer je to granica na kojoj obnovljivi izvori energije postaju ekonomski konkurentni nafti.
Ono što je zaista potrebno obnovljivim izvorima energije jeste da postanu ekonomski
konkurenti fosilnim gorivima, jer će se u tom slučaju privreda znatno više okrenuti prema čistoj
energiji. Ekonomska konkurentnost obnovljivih izvora je još uvek vrlo daleko u budućnosti, osim
ako se iznenada ne počnu slivati znatna sredstva u ovaj sektor.
Jedina stvar koja ozbiljno preti sektoru fosilnih goriva i mogla bi pokrenuti korišćenje
čistih izvora energije su klimatske promene. Naučnici celo vreme upozoravaju svetske voĎe da bi
se što pre moralo početi delovati prema smanjenju ispuštanja gasova sa efektom staklene bašte i
korišćenju fosilnih goriva, jer se procenjuje da su te emisije glavni razlog globalnog zagrevanja.
Iako političari vole puno pričati o čistoj energiji, još uvek nema velikih pomaka u izbacivanju
15
fosilnih goriva iz upotrebe. Čistoća obnovljivih izvora energije je glavni argument zagovornika
takvih izvora energije, a energetska nezavisnost je druga najvaţnija stvar. Poznato je da se većina
potvrĎenih rezervi nafte nalazi u politički vrlo nestabilnom delu sveta, pa bi uvek trebalo imati
neku energetsku alternativu. Jedan od pokušaja postizanja energetske nezavisnosti je i projekat
Evropske unije kojim se na području Sahare ţeli izgraditi puno solarnih elektrana koje bi imale
dvostruku ulogu: proizvedena električna energija transportovala bi se energetskim vodovima
prema Evropi, a dodatno bi se radila desalinizacija vode koja je vrlo vaţan resurs u pustinjskim
područjima. Projekt se zove Desertec, trebao bi trajati do 2050., a prvih 20 GW instaliranih
kapaciteta očekuju se već do 2020 godine.
Čak i ako se svet odluči za drastično smanjenje emisija ugljen-dioksida i potpiše se novi
klimatski ugovor/protokol (novi Kyoto protokol) to neće značiti da se više neće koristiti fosilna
goriva. To će jedino značiti da se veća vaţnost daje obnovljivim izvorima energije i da će se
postepeno pokušati istisnuti fosilna goriva, ali to je postupak koji će trajati izuzetno dugo.
Naravno, prilikom tog postupka javiće se jak otpor iz sektora fosilnih goriva, jer ipak se tu obrću
bilijarde dolara koje bi trebale preći iz naftnih lobija u sektor obnovljivih izvora energije.
Trenutno u prilog naftnim lobijima ide činjenica da oni imaju novac i da oni odlučuju šta će se
raditi u smislu energetskih projekata u budućnosti. Trenutna situacija im najviše odgovara, jer se
celo vreme u njihovom smeru sliva ogromna količina novaca, pa im se baš i ne ţuri sa
promenama.
Za razliku od neobnovljivih izvora energije, koji su iscrpljivi i sa stalno rastućom
potrošnjom energije vremenom postaju sve manji, obnovljivi izvori energije su stalni i sa
potrošnjom se ne iscrpljuju, već se stalno obnavljaju.
Vodeni mlinovi i vetrenjače koje su koristili naši preci proizvodili su mehaničku energiju iz
obnovljivog izvora energije. Oko 1.200 godine u Evropi su se pojavile vetrenjače koje su se
koristile za mlevenje brašna i pumpanje vode, za odvajanje zrnevlja od stabljika, u pilanama itd.
Moderne verzije tih naprava danas pretvaraju vodu ili vetar u električnu energiju. Evropska
proizvodnja električne energije iz energije vetra, koja je ostvarila znatan napredak u zadnjih
nekoliko godina, danas je na nivou potreba za električnom energijom u Danskoj i MaĎarskoj
zajedno.
Ogromna većina energije dobijene iz obnovljivih resursa odnosi se na energiju vodotokova
i energiju biomase. Ostali obnovljivi izvori energije su trenutno energetski zanemarivi. Pošto će
se u budućnosti sve energetske potrebe morati podmirivati iz obnovljivih izvora energije, moraće
se izmisliti neki ekonomičan način na koji će se obnovljivi izvori energije pretvarati u korisnu
energiju. Glavno ograničenje u tome su skupa i dugotrajna istraţivanja, a većina primena svodi se
na proizvodnju električne energije. Cenu istraţivanja povećava i raznolikost obnovljivih izvora
energije.
Sunčeva energija je izvorni oblik većine obnovljivih izvora energije (vetra, biomase, vode),
dok nekoliko izvora, kao što su geotermalna energija i energija plime i oseke ne potiču od nje
(prva od energije osloboĎene raspadom radioaktivnih elemenata u Zemlji, a druga izazvana
dejstvom gravitacionog polja Meseca).
Iako su potencijali obnovljivih izvora energije ogromni (samo Sunce isporučuje Zemlji oko
15 hiljada puta više energije nego što čovečanstvo danas troši), trenutni tehnološki razvoj ne
dopušta oslanjanje samo na njih. Većina energije dobijene iz obnovljivih izvora odnosi se na
energiju vodotokova, dok je učešće ostalih obnovljivih izvora energije danas relativno malo, slika
3.1.
16
Slika 3.1. Struktura potrošnje obnovljivih izvora energije u svetu (stanje 2005. godine)
MeĎutim, njihov udeo u budućnosti biće znatno veći, jer neobnovljivih izvora energije ima
sve manje, a i njihov štetni uticaj na ţivotnu sredinu i klimu je sve izraţeniji. Sa razvojem
tehnologije očekuje se da će obnovljivi izvori energije postati ekonomski konkurentni
konvencionalnim izvorima energije. Nekoliko tehnologija, posebno onih za korišćenje energije
vetra, biomase i sunčevog zračenja, već postaju ekonomski sve konkurentnije. Proces prihvatanja
novih tehnologija je relativno spor zbog još uvek visoke početne cene, ali veliki značaj u primeni
energije iz obnovljivih izvora imaju njihova ekološka prihvatljivost i podsticanje izgradnje
postrojenja za proizvodnju "čiste" energije iz njih.
Većina investicija, iz domena obnovljivih izvora energije, troše manje materijala i rada
prilikom njihove izgradnje kao i manje investicije prilikom njihovog odrţavanja. Pošto se
postojeće rezerve fosilnih goriva stalno smanjuju, nedvosmisleno je da će njihove cene i dalje
rasti, što daje prostora za razvoj primene obnovljivih izvora energije. Uvoz fosilnih goriva
predstavlja sve veće opterećenje za nacionalne ekonomije. Primenom mera koje nude tehnologije
energetske efikasnosti i lokalni sistemi obnovljivih izvora energije, koriste se lokalni resursi.
Kada novac, ostaje na lokalnom nivou to stvara umnoţavajući efekat. Proizvodnjom i
razvijanjem tehnologija, moguće je podstaći izvoz, pruţajući podsticaj trgovinskom suficitu.
Tehnologije obnovljivih izvora energije su čiste, imaju mnogo manji uticaj na okolinu od
konvencionalnih energetskih tehnologija. Obnovljivi izvori energije nikada neće nestati. Ostali
izvori energije su konačni i jednog dana će biti potrošeni.
Postoji mnogo drţava koje daju dobar primer korišćenja potencijala obnovljivih izvora
energije. Prema tome, tehnologije postoje, jedino su u ovom trenutku poprilično skupe pa su
potrebna velika ulaganja. S vremenom se očekuje da će sve te tehnologije napredovati u smislu
efikasnosti i smanjenja cene, pa će samim time postati mnogo atraktivnije i samim time
raširenije.
Sa tehničko-tehnološkim razvojem u 20 veku, jedan od najvećih pratećih zahteva bila je
konstantna potreba za povećanjem proizvodnje električne energije. U današnjem svetu gotovo je
nemoguće zamisliti neki proizvod za čiju proizvodnju nije bilo potrebno korišćenje električne
energije. Povećana potreba za električnom energijom uslovila je razvoj tehnologija za
proizvodnju električne energije, pa tako danas postoje pet tipova elektrana: hidroelektrane,
termoelektrane, solarne elektrane, vetroelektrane i geotermalne elektrane.
Kako je krajem 20 veka sve više ojačavala svest o zagaĎenju planete i njenim efektima,
počelo se razmišljati i o prihvatljivim i manje prihvatljivim načinima proizvodnje električne
17
energije. Sve ono što u proizvodnom procesu podrazumeva emisiju ugljen-dioksida i ostalih
gasova sa efektom staklene bašte smatra se nepoţeljnim u ekološkom smislu.
Tako su termoelektrane u kojima sagoreva ugalj i naftni derivati postale nepoţeljne, iako
treba reći da se u mnogim zemljama u razvoju upravo ove vrste elektrana još uvek najviše koriste
i čak i danas izgraĎuju nove.
Termoelektrane na zemni gas i biomasu su nešto prihvatljivije od termoelektrana na ugalj i
naftne derivate, jer je kod njih emisija gasova staklene bašte manja, a u slučaju biomase izvor
energije je obnovljiv.
Nuklearne elektrane koje takoĎe spadaju u termoelektrane su sa stanovišta emisije gasova
staklene bašte ekološki prihvatljive.
Pojedini obnovljivi izvori energije, su sasvim novi, a neki se koriste već duţe vremena.
Neki od ovih izvora omogućavaju profitabilnu proizvodnju električne ili toplotne energije, dok
su pojedini još uvek u fazi razvoja, pa se njihova komercijalna primena tek očekuje.
Zajednička karakteristika svih tehnologija korišćenja obnovljivih izvora energije su
relativno visok stepen početne investicije, ali i njihova kasnija niska operativna cena. Sa druge
strane, prava cena konvencionalnih elektrana obično nije pravilno izračunata, kao
ni predstavljena na pravilan način. Treba napomenuti da i dalje postoje brojne drţavne subvencije
za tehnologije prerade i korišćenja nafte, nuklearne elektrane, termoelektrane, kao i prateće
tehnologije. MeĎutim, kako obnovljivi izvori energije imaju znatno niţu operativnu cenu u
poreĎenju sa konvencionalnim izvorima energije, ukupna cena energije povoljnija je na osnovu
analize tehnoloških ciklusa, a posebno sa ekološkog aspekta. Naime, vaţan aspekt obnovljivih
izvora energije predstavlja njihov neznatan uticaj na ţivotnu sredinu, te su sa tog aspekta mnogi
od njih ekonomski konkurentni konvencionalnim tehnologijama proizvodnje energije. Ovaj
aspekt je veoma vaţan pri razmatranju energetske situacije u Srbiji, gde termoelektrane
dominiraju u energetskoj proizvodnji. U poreĎenju sa ostalim tehnologijama proizvodnje
električne energije, industrije bazirane na obnovljivim izvorima energije beleţe najveći privredni
rast poslednjih desetak godina.
Nekoliko tehnologija, posebno za korišćenje energija vetra, energije malih vodotokova,
energija biomase i sunčeve energija, su ekonomski konkurentne. Ostale tehnologije zavise od
potraţnje na trţištu da bi postale ekonomski isplatljive u odnosu na klasične izvore energije.
Proces prihvatanja novih tehnologija vrlo je spor i uvek izgleda kao da nam izmiče za samo
malo. Glavni problem za instaliranje novih postrojenja je početna cena. To diţe cenu dobijene
energije u prvih nekoliko godina na nivo potpune neisplatljivosti u odnosu na ostale komercijalno
dostupne izvore energije.
3.1 ENERGIJA VODOTOKOVA (HIDROENERGIJA)
Energija vodotokova (hidroenergija) predstavlja najčešće korišćeni obnovljivi izvor
energije za proizvodnju električne energije, jer je proizvodnja električne energije iz energije
vodotokova ekonomski konkurentna proizvodnji električne energije iz fosilnih i nuklearnog
goriva.
Ne moţe se koristiti svuda, jer podrazumeva obilje brzo tekuće vode, a poţeljno je i da je
ima dovoljno cele godine, jer se električna energija ne moţe jeftino uskladištiti. Da bi se poništio
uticaj oscilacije protoka vode na rekama se grade ogromne brane i stvaraju akumulaciona jezera.
To znatno diţe cenu cele elektrane, a i diţe se nivo podzemnih voda u okolini akumulacije. Nivo
podzemnih voda ima dosta uticaja na biljni i ţivotinjski svet, pa prema tome hidroenergija nije
sasvim bezopasna za okolinu, jer se menja biološka slika okoline. Veliki problem kod
akumuliranja vode je i zaštita od potresa, a u zadnje vreme i zaštita od terorističkih napada.
18
Procenjuje se da je iskorišćeno oko 25% svetskog hidroenergetskog potencijala. Većina
neiskorišćenog potencijala nalazi se u nerazvijenim zemljama, što je povoljno jer se u njima
očekuje znatan porast potrošnje energije. Najveći projekti, planirani ili započeti, odnose se na
Kinu, Indiju, Maleziju, Vijetnam, Brazil i Peru. Rastuća potreba za energijom pri tome često
preteţe nad brigom o uticajima na okolinu, a dimenzije nekih zahvata nameću utisak da je
njihovo izvoĎenje ne samo stvar energije nego i prestiţa.
Hidroelektrane su elektroenergetski objekti koji sluţe za pretvaranje energije vodotokova u
električnu energiju. Hidroelektrane se grade tako što se tok reke pregradi jednom betonskom
pregradom koja se zove brana. Ispred brane se uradi jedno proširenje, tj. napravi akumulaciono
jezero. U jezeru se akumulira odnosno sakuplja voda i nivo vode u jezeru je viši od nivoa vode u
reci. Samim tim je potencijalna energija vode u jezeru veća. Кada se cevovod otvori voda iz
stanja mirovanja prelazi u stanje kretanja, odnosno potencijalna energija vode se pretvara u
kinetičku energiju vode, koja se kroz cevovod odvodi na turbinu gde udara u lopatice rotora
turbine i okreće ga. U turbini se kinetička energija vode pretvara u mehaničku. Pošto su rotor
turbine i rotor generatora na istom vratilu, obrtanje rotora turbine automatski izaziva i obrtanje
rotora generatora. U generatoru se mehanička energija pretvara u električnu energiju. Znači,
transformacija energije u hidroelektrani se odvija na sledeći način: Potencijalna energija vode u
akumulacionom jezeru - Кinetička energija vode u cevovodu - Mehanička energija u turbini -
Električna energija u generatoru.
Prednosti hidroelektrana su:
Кoriste energiju vodotokova koja je besplatna.
Troškovi investicije u izgradnju hidroelektrane se povrate u periodu do desetak
godina.
Proizvodnjom električne energije u hidroelektrani ne emituju se gasovi koji zagaĎuju
ţivotnu sredinu i pojačavaju efekat staklene bašte (pre svega ugljen dioksid), jer se za
rad HE ne koriste fosilna goriva.
Postoje tri osnovne vrste hidroelektrana:
protočne (male HE),
akumulacione (velike HE)i
reverzibilne (velike HE).
Protočne hidroelektrane nemaju uzvodnu akumulaciju ili se njihova akumulacija moţe
isprazniti za manje od dva sata rada pri nazivnoj snazi. To znači da se skoro direktno koristi
kinetička energije vode za pokretanje turbina. Takve hidroelektrane je najjednostavnije izgraditi,
ali su vrlo zavisne od trenutnog protoka vode.
Akumulacione hidroelektrane su najčešći način proizvodnje električne energije iz energije
vodotokova. Da bi se poništio uticaj oscilacije protoka vode na rekama se grade ogromne brane i
stvaraju akumulaciona jezera. To znatno diţe cenu cele elektrane, a i podiţe se nivo podzemnih
voda u okolini akumulacije. Postoje dve izvedbe akumulacionih hidroelektrana:
pribranske, kod njih se mašinska zgrada nalazi ispod same brane i
derivacione, kod njih se mašinska zgrada nalazi puno niţe od brane i cevovodima je
spojena na akumulaciju.
Akumulaciona jezera hidroelektrana mogu privlačiti turiste, te se na njihovoj površini
mogu odvijati razni vodeni sportovi. TakoĎe velike brane mogu igrati značajnu ulogu u
navodnjavanju, te u regulaciji toka reka.
19
Glavni delovi takve elektrane su akumulacija, brana, zahvat, gravitacioni dovod, vodna
komora, zasunska komora, cevovod, mašinska sala i odvod vode.
Akumulacione hidroelektrane su najčešći način dobijanja električne energije iz energije
vode. Problemi nastaju u letnjim mesecima kada prirodni dotok postane premali za
funkcionisanje elektrane. U tom slučaju se brana mora zatvoriti i potrebno je odrţavati bar nivo
vode koji je biološki minimum. Veliki problem je i podizanje nivoa podzemnih voda.
Nedostaci akumulacioni (velikih) hidroelektrana su:
Prilikom punjenja hidro akumulacionog jezera dolazi do potapanja velikih površina i
podiţu se nivoi podzemnih voda što dosta utiče na čitav biljni i ţivotinjski svet i
menja se biološka slika okoline. Dodatni probelem je što brane presecaju prirodnu
tokove vode, a time i puteve kretanja riba. Ţivotinje toga područja su primorane na
preseljenje, kao i ljudi. Pri tome se uništavaju privredna, kulturna i prirodna dobra.
Veliki problem kod akumuliranja vode je što rušenje brane (usled zemljotresa,
terorističkih napada i sl.) moţe dovesti do velikih katastrofa.
Prilikom truljenja i raspadanja biljnih ostataka pod vodom dolazi do stvaranja gasova
koji pojačavaju efekat efeklene bašte (pre svega ugljen dioksida CO2 i metana).
Reka svojim tokom nosi pesk i mulj koji se vremenom taloţi u akumulacionom jezeru
usled čega se smanjuje njegova dubina i jezero gubi svoju funkciju.
Potrošnja električne energije zavisi od doba dana, dana u sedmici, godišnjeg doba itd. U
ponedeljak je špica potrošnje, vrlo velika potrošnja je i svim ostalim radnim danima. Vikendom
obično pada potrošnja električne energije. Za popunjavanje dnevnih špica potrošnje grade se
reverzibilne hidroelektrane. Ove hidroelektrane slične su derivacionim, ali protok vode je u oba
smera kroz derivacioni kanal. Kad je potrošnja energije mala voda se pumpa iz donjeg jezera u
gornju akumulaciju. To se obično radi noću, jer je tada potrošnja energije najmanja. Danju se
prebacuje na proizvodnju električne energije i tada se prazni gornja akumulacija. To nije baš
energetski najbolje rešenje, ali je bolje nego napraviti još nekoliko termoelektrana za pokrivanje
dnevnih špica potrošnje.
Osnovni delovi malih hidroelektrana su: brana, zahvat, cevovod, mašinska zgrada i odvod,
slika 1.
Slika 1. Osnovni delovi male HE
Brana, sluţi za skretanje vode sa njenog prirodnog toka prema zahvatu hidroelektrane i da
povisi nivo i uspori protok vode.
20
Zahvat, sluţi da vodu koja je akumulirana u jezeru uvede u cevovod.
Cevovod, sluţi da vodu pod pritiskom odvede na turbinu.
Mašinska zgrada, je najčešće derivaciona i sluţi za smeštaj: turbine, generatora,
transformatora, regulacije turbine, automatska regulacija i prenosne, merne i druge električne
opreme potrebne za rad male HE.
Turbina sa generatorom i drugom mašinskom i elektro opremom čini agregat male
hidroelektrane. Turbina sluţi za pretvaranje kinetičke energije vode u mehaničku energiju
rotirajućih delova turbine. Pošto pojedini tipovi turbina efikasno rade samo unutar granica
odreĎenih protoka i padova vode, pri izboru pogodne turbine o tome se mora voditi računa.
Generator, sluţi za pretvaranje mehaničke energije u električnu.
Regulacija turbine, je sistem za prilagoĎavanje proizvedene snage promenljivom protoku
vode, a time i za odrţavanje frekvencije u sistemu.
Elektro orman za paralelan rad male hidroelektrane sa elektrodistributivnom mreţom.
Elektro orman treba ima sve zaštite koje su predviĎene za rad u elektrodistributivnoj mreţi.
Sistem upravljanja malom hidroelektranom je sa programiranim automatom (PLC) i
sadrţi sve informacije za nivo kontrole koji obezbeĎuje siguran rad, visoki nivo efikasnosti i
pouzdanost hidroagregata.
Odvod, sluţi da vodu sa turbine odvede u rečno korito.
Neto snaga male hidroelektrane (instalisana električna snaga generatora), je ustvari
električna snaga koja se dobija na priključcima generatora. Pošto mala hidroelektrana pretvara
kinetičku energiju vode (koja teče zbog postojanja visinske razlike) u električnu energiju, neto
snaga male hidroelektrane je proporcionalna raspoloţivom srednjem zapreminskom protoku vode
Qsrr i neto padu vode Hn:
Pg=9,81·Qsrr·Hn·ηt· ηg =9,81· Qsrr·Hn·η kW
gde je:
9,81 – gravitaciono ubrzanje, m/s2
Qsrr – raspoloţivi srednji zapreminski protok vode, m3/s
Hn – neto pad vode, m
ηt – stepen iskorišćenja turbine, %
ηg – stepen iskorišćenja generatora, %
η=ηt· ηg – stepen iskorišćenja male hidroelektrane, %,
3.2 ENERGIJA VETRA
Skoro sva obnovljiva energija dolazi od sunca. Sunce neravnomerno zagreva različite
delove Zemlje i to rezultira različitim pritiscima vazduha. Vetar je horizontalno strujanje
vazdušnih masa nastalo usled razlika temperatura, odnosno nastalo usled razlike pritisaka
vazduha, zbog teţnje za njihovim izjednačavanjem. Znači, vetar je posledica Sunčevog zračenja,
tj. energija vetra je transformisani oblik sunčeve energije, a na njegove karakteristike u velikoj
meri utiču i geografski faktori. Oko 1 do 2% energije koja dolazi od sunca pretvara se u energiju
vetra. Postoje delovi Zemlje na kojima duvaju takozvani stalni (planetarni) vetrovi i na tim
područjima je korišćenje energije vetra najisplatljivije. Dobre pozicije su obale okeana i pučina
mora. Pučina se ističe kao najbolja pozicija zbog stalnosti vetrova, ali cene instalacije i transporta
energije koče takvu eksploataciju.
21
Energetska pitanja, posebno pitanja o obnovljivim izvorima energije postala su od vitalnog
značaja, ne samo zbog lošeg ekološkog stanja i rastućih cena sirove nafte, nego i zbog uvek
rastućih potreba za energijom. Svi ovi negativni trendovi prisiljavaju čovečanstvo da
tradicionalna fosilna goriva zamene ekološki prihvatljivijim alternativama. Iako su fosilna goriva
(nafta, ugalj i prirodni gas) trenutno dominantna, stvari počinju ići nabolje zbog toga jer sve više
drţava počinje priznavati problem s fosilnim gorivima i polako usmeravaju svoju paţnju u razvoj
obnovljivih izvora energije. Jedan od obnovljivih izvora energije koji najviše obećava je svakako
energija vetra koju je moguće iskoristiti za generisanje električne energije. Sektor korišćenja
energije vetra postaje jedan od najbrţe rastućih sektora korišćenja obnovljivih izvora energije, ne
samo u Evropskoj uniji i SAD-u, nego i širom sveta. Istraţivački projekti na polju korišćenja
energije vetra su sve intenzivniji i celo vreme se pronalaze nove tehnike za efikasnijе pretvaranje
energije vetra u električnu energiju. Sva ta istraţivanja podstaknuta su sve ozbiljnijim pristupom
vlada širom sveta u vidu smanjenja energetske zavisnosti i preraspodele izvora energije u više
grana koje mogu funkcionisati nezavisno, a obnovljivi izvori energije su idealni za ostvarenje te
politike.
Vetar kao obnovljivi izvor energije počinje da se pominje još oko 600. god. p.n.e. u Persiji.
Prve persijske vetrenjače su imale vertikalnu osovinu i 6-12 jedara pokrivenih trskom ili platnom.
Oko 1.200 godine pojavljuju se i u Evropi, koristile su se za mlevenje brašna i pumpanje vode, za
odvajanje zrnevlja od stabljika, u pilanama itd. Kasnije, vetrenjače evropske konstrukcije
uglavnom koriste horizontalnu osovinu. Upotreba direktnih mehaničkih vetrenjača u Evropi je
skoro potpuno prestala zbog korišćenja parnih mašina, a kasnije, i električnih motora i motora sa
unutrašnjim sagorevanjem. Krajem 19. veka počinje upotreba vetrenjača i za proizvodnju
električne energije (vetroelektrana), ali tek u poslednje vreme u većim količinama.
Korišćenje energije vetra ima dugu istoriju, ali je moderno korišćenje energije vetra za
dobijanje električne energije ozbiljnije započelo tek u kasnim sedamdesetim i u osamdesetim
godinama prošlog veka. Od tada je industrija korišćenja energije vetra imala stalan rast kroz
dvadesetak godina, a trenutno ovaj segment obnovljivih izvora energije ima rast od oko 20-30%
godišnje na svetskom nivou. Stručnjaci predviĎaju još snaţniji rast ovog sektora u godinama koje
dolaze, posebno ako se uzmu u obzir velike investicije koje su u toku ili tek započinju. Ovaj rast
rezultat je činjenice da je energija vetra najekonomičniji obnovljivi izvor energije nakon
hidroenergije, a ta ekonomičnost rezultat je intenzivnih istraţivanja koja su unapredila postupak
proizvodnje i smanjila cenu električne energije dobijene iz vetra.
Kod pretvaranja kinetičke energije vetra u mehaničku energiju (okretanje osovine
generatora) koristi se samo razlika brzine vetra na ulazu i na izlazu. Vetrogeneratori počinju da
proizvode električnu energiju pri brzinama vetra od oko 3 m/s pa sve do 25 m/s. Ekonomski je
isplatljiva proizvodnja ukoliko vetar duva godišnje preko 2.800 časova prosečnom brzinom od
preko 6 m/s (jedna godina ima 8760 časova). Da bi se to postiglo potrebno je odabrati pogodnu
lokaciju. I pored toga što na nekoj široj lokaciji postoje povoljni uslovi potrebno je i na samoj
budućoj lokaciji proveriti brzinu vetra na potrebnoj visini. Brzina vetra zavisi od konfiguracije
terena, objekata na zemlji i visine. Merenja je potrebno izvršiti minimalno na 10 m visine od
zemljišta, a preciznije je ako se merenja vrše na visini od 30 m ili 50 m. Merenja treba obavljati u
toku cele godine pre postavljanja vetrogeneratora da bi se dobila najpreciznija procena količine
električne energije koja se moţe očekivati na predmetnoj lokaciji.
22
Slika 3.2. Korišćenje energije vetra
Za domaćinstva vrlo su interesantne male vetrenjače 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 nuţno im se dodaju baterije (akumulatori)
u koje se energija sprema kad se generiše više od potrošnje.
Veći vetrogeneratori su povezani na distributivnu mreţu. Trenutno se u svetu grade
vetrogeneratori snaga od 1 MW do 3 MW. Prečnik rotora je i do 120 m, a teţina jednog kraka
propelera je do 20 tona. Visina stuba na kome se nalazi gondola sa vetrogeneratorom je do 130
m. Ukupna teţina kompletnog vetrogeneratora sa stubom je oko 200 t. Na vrlo pogodnim
lokacijama bogatim konstantnim i jakim vetrovima podiţe se veći broj vetroagregata i takav skup
se naziva farma vetrenjača, slika 3.5. Pored izraza vetrenjača kod nas se još čest koriste i izrazi:
vetroagregat, vetroelektrana, vetrogenerator, električne turbine na vetar i slično.
Slika 3.5. Farme vetrenjača
Veliki vetroagregati često se instaliraju u park vetrenjača i preko transformatora spajaju se
na električnu mreţu.
Trenutni razvoj korišćenja energije vetra sve više ide u smeru gradnje farmi vetrenjača.
Farma vetrenjača je velika grupa vetrenjača koje su povezane zajedno u jednu ogromnu elektranu
na vetar i efikasnost ovakvog grupisanja vetrenjača raste svakim danom. Usprkos povećanoj
ukupnoj efikasnosti, veliki problem ostaje u tome da nema mnogo dobrih lokacija za farme
vetrenjača pošto je potrebna velika površina na kojoj duvaju relativno jaki i, što je moţda i
najvaţnije, stalni vetrovi. Za svaku moguću lokaciju potrebno je pre gradnje napraviti opseţna
istraţivanja godišnjih kapaciteta vetra da bi se mogla unapred izračunati količina energije koja se
moţe proizvesti na datoj lokaciji. Količina dostupne energije je glavni razlog zbog koga se
koriste detalja istraţivanja pre konačne investicije u odreĎenu farmu vetrenjača. Da bi se dobila
količina dostupne energije investitori moraju saraĎivati s meteorolozima da bi se dobio
meteorološki model lokacije koji se kasnije koristi za računanje efikasnosti mogućeg projekta
farme vetrenjača i da bi se na kraju krajeva dobio odgovor na pitanje da li je projekt uopšte
isplatljiv na datoj lokaciji. Za klasifikaciju podobnosti pojedinih lokacija za korišćenje energije
vetra postoje klase snage vetra. Za konstrukciju farmi vetrenjača podobne su lokacije koje imaju
23
klasu snage vetra tri ili više, a klasa snage vetra dva je podobna za gradnju malih vetrenjača koje
se uglavnom koriste za domaćinstva.
Kao dobre strane korišćenja energije vetra ističu se visoka pouzdanost rada postrojenja,
nema troškova za gorivo i nema zagaĎivanja okoline. Loše strane su visoki troškovi izgradnje i
promenljivost brzine vetra (ne moţe se garantovati isporuka električne energije).
Električna energija dobija se iz vetra pomoću vetroagregata koji se sastoje od krakova
turbine, prenosnog mehanizma, elektrogeneratora, nosećeg stuba i transformatora preko koga se
vrši priključivanje na električnu mreţu.
Električna energija se iz vetra najčešće proizvodi u generatorima koje pokreće ogromna
trokraka turbina smeštena na vrhu visokih tornjeva, a princip rada se pojednostavljeno moţe
nazvati "obrnutim od ventilatora". Princip rada je sledeći: vetar pokreće turbinu koja počinje
okretati osovinu spojenu na generator i to okretanje proizvodi električnu energiju.
Kod pretvaranja kinetičke energije vetra u mehaničku energiju (okretanje osovine
generatora) koristi se samo razlika brzine vetra na ulazu i na izlazu. Albert Betz, nemački fizičar
postavio je 1919. godine zakon energije vetra, a koji je publikovan 1926. godine u knjizi “Wind-
Energie”.
Snaga koja se prenosi na rotor vetrenjače proporcionalna je površini koju pokriva rotor,
gustini vazduha i kubu (trećem stepenu) brzine vetra:
32
2
1vrP
W
gde je:
P [W] - snaga,
- faktor iskorišćenja,
[kg/m³]- gustina vazduha,
r [m] - radijus turbine i
v [m/s]- brzina vazduha.
Električna energija dobijena iz energije vetra moţe se koristi i kao sekundarni izvor
energije u domaćinstvima.
Sjedinjene Američke Drţave u odnosu na drţave Evropske unije imaju veliku prednost u
svojoj veličini jer neke evropske drţave već sada imaju problema s prostorom za instalaciju
novih vetrenjača, a neke se već odlučuju i za offshore elektrane na vetar, slika 3.9. Evropska
unija planira instalaciju 50.000 MW vetrenjača offshore, u područjima gde je more plitko do
2025. godine. Ovo nije jednostavno jer je instalacija vetrenjača u plitkoj vodi znatno
komplikovanija i skuplja nego na kopnu, a glavni problem je zapravo u stabilizaciji vetrenjača
koje moraju biti izuzetno stabilne za proizvodnju električne energije. U morskim uslovima se
takoĎe javlja i problem korozije materijala što znači da se moraju upotrebljavati skuplji
nekorozivni materijali. Dodatni problem javlja se i kod prenosa električne energije do obale, jer
se moraju postaviti podvodni kablovi. Uz sve ove nedostatke, offshore vetrenjače imaju i mnoge
prednosti. Na primer, offshore turbine mogu biti mnogo veće od onih na kopnu, a to povećava
njihovu efikasnosti i količinu električne energije koju su sposobne proizvesti. Uz to na pučini
duvaju mnogo pogodniji vetrovi.
24
Slika 3.9. Ofshore (pučinske) vetrenjače
Dok drţave Evropske unije (posebno Danska i Nemačka) vode put, Sjedinjene Američke
Drţave u zadnje vreme takoĎe počinju napredovati prema tome da povećaju udeo energije vetra u
ukupnoj potrošnji električne u SAD-u. Uzevši u obzir potencijal energije vetra, posebno sa
razvojem offshore (pučinskih) vetrenjača, sektor korišćenja energije vetra radi velike korake
prema tome da postanu ozbiljna alternativa fosilnim gorivima.
3.3 ENERGIJA SUNCA (SOLARNA ENERGIJA)
Sva energija na Zemlji potiče iz tri osnovna izvora energije:
energije Sunca,
energije iz Zemlje i
energije gravitacije.
Energija iz Zemlje posledica je toplote Zemljinog jezgra koja se iz unutrašnjosti provodi
prema površini. Zemlja se od svojih početaka, kada je postojala kao kugla uţarene mase, hladi i
stvara čvrsti deo Zemljine kore koji je debeo do 50 km.
Energija gravitacije posledica je gravitacionih sila izmeĎu planeta Sunca, Meseca i
Zemlje. Gravitacione sile uzrokuju promene nivoa mora i time promenu potencijalne energije
morske vode. Amplituda plime i oseke mestimično varira, a moţe iznositi od nekoliko
centimetara do šesnaest metara.
Energija Sunca nastaje procesima nuklearne fuzije vodonika koji se odvijaju u središtu
Sunca. Sa površine Sunca energija se emituje u svemir elektromagnetnim talasima. Iako samo
vrlo mali deo ukupne Sunčeve energije dolazi do površine Zemlje, na nju tokom jedne godine
dospe veća količina energije od one sadrţane u ukupnim rezervama uglja i nafte. Veoma mali
deo te energije ostaje uskladišten duţe vreme na Zemlji.
Sunce je nama najbliţa zvezda te, neposredno ili posredno, izvor gotovo sve raspoloţive
energije na Zemlji. Sunčeva energija potiče od nuklearnih reakcija u njegovom središtu, gde
temperatura dostiţe 15 miliona °C. Glavni energetski proces koji se odvija na Suncu je nuklearna
fuzija, a to je spajanje dva laka atoma vodonika u jedan teţi atom helija, uz oslobaĎanje velike
količine energije (proporcionalne razlici masa pre i nakon reakcije, prema Ajnštajnovoj formuli:
E=mc2).
Sunce proizvodi energiju već pet milijardi godina i prema trenutnim procenama ta
proizvodnja energije nastaviće se još idućih pet milijardi godina. Solarna energija je deo energije
proizvedene na Suncu koja stiţe do zemlje.
Nuklearnom fuzijom se svake sekunde u Suncu pretvori oko 700.000.000 tona vodonika u
oko 695.000.000 tona helija, a razlika od 5.000.000 tona se pretvori (po Ajnštajnovoj formuli) u
energiju u obliku zračenja. Ova se energija u obliku svetlosti i toplote širi u svemir, pa tako jedan
njen mali deo dolazi i do Zemlje. Nuklearna fuzija odvija se na Suncu već oko 5 milijardi godina,
kolika je njegova procenjena starost, a prema raspoloţivim zalihama vodonika moţe se izračunati
25
da će se nastaviti još otprilike 5 milijardi godina. Iako je sunčeva energija uzročnik većine izvora
energije, u ovom delu fokusiraćemo se na direktno korišćenje sunčeve energije.
Slika 3.10. Globalna varijacija ozračenosti
Solarna energija je obnovljivi izvor energije, to je energija sunčevog zračenja koja se
uočava u obliku svetla i toplote koju primamo od najvećeg izvora energije na Zemlji, Sunca.
Sunčevo zračenje je odgovorno i za stalno obnavljanje energije vetra, morskih struja, talasa,
vodenih tokova i termalnog gradijenta u okeanima. Već decenijama se solarna energija koristi za
proizvodnju toplotne energije koja se koristi za zagrevanja vode, grejanje prostora, kao i za
hlaĎenje. Upotreba solarne energije ima višestruke prednosti. To je tih, čist i pouzdan izvor
energije. Zbog rastuće cene fosilnih goriva, kao i zbog jačanja svesti o potrebi očuvanja ţivotne
sredine, sve više raste interes za korišćenjem sunčeve energije.
Solarna energija se moţe direktno pretvoriti u toplotnu energiju ili u električnu energiju, a
to su zapravo korisni oblici energije. Električna energija je najkorisniji oblik energije današnjem
čovečanstvu jer se moţe jednostavno pretvoriti u koristan rad.
Solarna energija je „motor“ koji stoji iza gotovo svih obnovljivih izvora energije.
Sekundarni izvori energije koje pokreće solarna energija, poput energije vetra, energije talasa,
hidroenergije i biomase, čine većinu obnovljivih izvora energije na zemlji. Geotermalna energija
i energija plime i oseke nisu sekundarni proizvod solarne energije, jer bi postojale i bez solarnog
zračenja.
Noću i za vreme vrlo oblačnih dana solarna energija nije potpuno dostupna i potrebni su
sistemi za čuvanje energije koji se pune kada je energija dostupna. Solarna energija moţe se
uskladištiti u različitim oblicima, najpopularnije je pretvaranje u toplotnu energiju, zatim se moţe
čuvati u baterijama i akumulatorima te „pumped storage“ sistemima – pumpanjem vode na više
mesto kad postoji dovoljno energije i korišćenjem te vode kada solarna energija nije dostupna.
Solarna energija je obnovljivi izvor energije, jer se ne moţe potrošiti poput fosilnih goriva.
Solarna energija takoĎe je i vrlo čist izvor energije nakon instaliranja, jer nema štetnih emisija ili
zagaĎenja nastalih zbog upotrebe solarnih kolektora ili fotonaponskih ćelija.
Postoje više načina (tehnologija) korišćenja solarne energije:
- za proizvodnju električne energije, direktnim pretvaranjem solarne energije u
električnu energiju, pomoću fotonaponskih (photovoltaic) ćelija (solarne
fotonaponske elektrane). Rade na principu fotoelektričnog efekta, je najpoţeljniji
način korišćenja energije Sunca, ali zbog slabe efikasnosti (10-25%) i visoke cene (3
do 4 €/W) trenutno se ne koriste u velikoj meri. Fotonaponske ćelije se uobičajeno
postavljaju na mestima gde nije moguće dovesti neki drugi izvor energije, npr. na
satelitima, na znakovima uz puteve i slično. Dodatno se koriste za napajanje
energijom malih potrošača, npr. dţepnih kalkulatora.
- za proizvodnju električne energije, indirektnim pretvaranjem solarne energije u
električnu, prvo se solarna energija pretvara u toplotnu, a zatim toplotna u električnu
26
energiju (tzv. koncentrisane solarne termalne elektrana CSP). Rade na principu
koncentrisanog sunčevog zračenja, odnosno fokusiranja (koncentrisanja) sunčeve
energije pomoću sistema ogledala u jednu tačku u kojoj se neka tečnost zagreva na
visoku temperaturu, koja se koristi za proizvodnju električne energije u generatorima.
Na ovom principu zasniva se rad današnjih solarnih termalnih elektrana (efikasnost
im je od 20 do 40%, a mogu ostvariti temperature od 200 do preko 1000ºC). Ovakva
postrojenja mogu biti vrlo velika i uobičajeno se grade u pustinjama, a sluţe za
komercijalnu proizvodnju električne energije.
- za proizvodnju toplotne energije koja se koristi za grejanje prostora, pripremu
sanitarne tople vode, pomoću solarnih toplotnih energetskih sistema. Ovo je
najjednostavniji i najjeftiniji način korišćenja solarne energije. Elementi koji koriste
energiju Sunca za grejanje vode nazivaju se solarni kolektori (efikasnost im je od 35
do 55%, a mogu ostvariti temperature od 30-90ºC) i uobičajeno se postavljaju na
krovovima kuća i zgrada. Zatim za proizvodnju toplotne energije koja se koristi za
razne potrebe u industriji, poljoprivredi i sl. Potom za proizvodnju toplotne energije
koja se koristi za solarno apsorpciono hlaĎenje,
Znači, postoje dva osnovna tipa solarnih elektrana:
- solarne fotonaponske elektrane,
- solarne termalne elektrane.
Solarna energija je glavni izvor energije za satelite i svemirske sonde nakon lansiranja. Na
primer, najnoviji GPS sateliti (Block IIR) koriste solarne ćelije snage 1.136 W. Solarne ćelije se
gotovo uvek koriste u kombinaciji s baterijama da bi se izbegao ispad napajanja kada satelit ili
sonda nije u poloţaju odakle se vidi Sunce.
Oko 30% ukupne svetske potrošnje energije odlazi na grejanje vode. Iz toga se vidi da se
zavisnost od neobnovljivih izvora energije moţe znatno smanjiti upotrebom solarnih kolektora
(panela). Za grejanje vode nema potrebe koristiti skupe fotonaponske (solarne) ćelije koje bi
proizvodile električnu energiju koja bi se kasnije koristila za grejanje vode.
Solarna energija je vrlo čist izvor energije nakon instaliranja, ali postoje neke zabrinutosti u
pogledu čistoće postupaka proizvodnje fotonaponskih ćelija. Fotonaponske ćelije su direktno
povezane s proizvodnjom poluprovodnika, a ta proizvodnja ima otrovne nusproizvode koji mogu
ugroziti ţiva bića. U proizvodnji poluprovodnika takoĎe ima i emisije gasova sa efektom staklene
bašte.
Solarna energija će se u budućnosti znatno više koristiti, jer se očekuju rezultati naučnih
istraţivanja koji bi trebali smanjiti cenu i povećati efikasnost ovoga izvora energije.
Sunce je daleko najveći izvor energije u solarnom sistemu. Količina solarne energije koja
stiţe za 71 [min] na Zemlju dovoljna je da zadovolji godišnje energetske potrebe čovečanstva u
sadašnjoj fazi razvoja. Usprkos ogromnom potencijalu, korišćenjem solarne energije trenutno se
pokriva vrlo mali postotak energetskih potreba čovečanstva. Jednim delom to je zbog slabe
razvijenosti trenutnih tehnologija za korišćenje energije Sunca, ali ipak je najveći problem
trenutna cena sistema za korišćenje solarne energije.
Što je sunčevo zračenje veće na nekoj lokaciji, veća je i proizvedena energija. Tropski
regioni su u tom pogledu povoljniji od ostalih regiona sa umerenijom klimom. Srednja
ozračenost u Evropi iznosi oko 1.000 kWh/m2, dok poreĎenja radi, ona na Bliskom istoku iznosi
1.800 kWh/m2.
Da bi se povećao stepen iskorišćenja solarne energije vrši se njeno koncentrisanje.
Sistemi u kojima se vrši konverzija sunčevog zračenja i u električnu i u toplotnu energiju,
nazivaju hibridni ili multifunkcionalni solarni sistemi, slika 3.11. Hibridni kolektori su
27
kombinacija fotonaponskih i toplovodnih panela, odnosno, modula, čime je iz istog modula
moguće istovremeno proizvoditi električnu i toplotnu energiju. Ugradnja ovih sistema zahteva
mnogo manju površinu krova, u odnosu na odvojenu ugradnju toplotnih i fotonaponskih solarnih
sistema, te su u tom slučaju i troškovi same ugradnje niţi.
Slika 3.11. Hibridni ili multifunkcionalni solarni sistemi
Solarne fotonaponske elektrane direktno pretvaraju sunčevu energiju u električnu
energiju (jednosmerne struje) pomoću fotonaponskih (Photovoltaic) ćelija, koje se izraĎuju od
poluprovodničkih materijala. Ovo pretvaranje energije sunčevog zračenja u električnu zasniva se
na fotonaponskom efektu.
Princip rada fotonaponske ćelije je u suštini jednostavan, neki materijali kao što su npr.
monokristali silicijuma imaju osobinu da pod uticajem sunčevog zračenja, proizvode električnu
energiju (jednosmernu struju). Solarna energija stiţe na Zemlju u obliku fotona, prilikom pada na
površinu fotonaponske ćelije ti fotoni predaju svoju energiju ćeliji i na taj način uzrokuju
izbijanja elektrona iz atoma, koji se pod uticajem električnog polja u osiromašenom području PN
spoja (diode) kreću prema N, a nastale praznine prema P strani poluprovodnika (ćelije), na taj
način se stvara razlika potencijala odnosno proizvodi se električna energija. Razlika potencijala
izmeĎu ta dva sloja zavisi od intenziteta sunčevog zračenja.
Slika 3.12. Princip rada fotonaponske ćelije
Faktori koji utiču na intenzitet sunčevog zračenja, a time i na efikasnost fotonaponskih
panela:
- vremenski uslovi (oblaci, magla i sl.),
- koliko je visoko sunce na nebu i
- broj sunčanih dana.
28
Do sada je postignuti stepen korisnog dejstva fotonaponskih solarnih ćelija do oko 40%.
Pošto su ovakvi novi materijali vrlo skupi, sunčeva svetlost se optičkim sistemom ogledala ili
sočiva fokusira na male površine skupih fotonaponskih ćelija, slika 3.16. Ovakva konstrukcija je
ekonomski opravdana ako su fotonaponske ćelije skuplje od optičkog sistema za fokusiranje. Uz
ovakvu konstrukciju potrebna je manja površina fotonaponskih solarnih ćelija.
Slika 3.16. Koncentrisana (fokusirajuća) fotonaponska CPV (Concentrated photovoltaic)
tehnologija
Fotonaponske ćelije se mogu koristiti kao samostalni izvori energije ili kao dodatni izvori
energije.
Kao samostalni izvori energije koriste se za: napajanje svemirskih satelita i brodova, za
obezbeĎenje električne energije u objektima gde nema distributivne mreţe, za napajanje raznih
signalnih i telekomunikacionih ureĎaja. U svemiru je i snaga sunčevog zračenja puno veća, jer
Zemljina atmosfera apsorbuje veliki deo zračenja, pa je i dobijena energija veća.
Kao dodatni izvori energije fotonaponske ćelije se mogu priključiti na distributivnu mreţu,
ali tada je potrebno ugraditi odgovarajući pretvarač (invertor) koji vodi računa o potrebnom
naponu, frekvenciji i faznom stavu da bi se ostvarilo uspešno prenošenje energije u distributivnu
mreţu, slika 3.17. Isto tako ukoliko je potrebno da se obezbedi napajanje nekog prijemnika
naizmeničnom strujom napona 220 V koristi se invertor odgovarajuće snage. Snage
fotonaponskih sistema se kreću u granicama od 1 W do 1 MW. Veći fotonaponski sistemi se
prave sa ciljem da dobijenu električnu energiju šalju u distributivnu mreţu, čime se doprinosi
smanjenju zagaĎenja ţivotne sredine, a istovremeno se ostvaruje i finansijska dobit.
Slika 3.17. Šema fotonaponskog sistema priključenog na distributivnu mreţu
U svetu se sve više koriste fotonaponski sistemi kao fasadni ili krovni elemenati koji
zamenjuju klasične materijale. Na taj način kroz ostvarenu proizvodnju električne energije vrši se
otplata investicije, što nije slučaj za klasične krovne i fasadne materijale. Na slici 3.18. su
prikazana različita mesta postavljanja fotonaponskih sistema.
29
Slika 3.18. Različita mesta postavljanja fotonaponskih panela
Kada se govori o trţištu fotonaponske energije misli se na instalirane kapacitete
fotonaponskih solarnih ćelija. Unazad desetak godina, trţište fotonaponske tehnologije raste
praktično eksponencijalno. Drţave u kojima je proizvedeno najviše fotonaponskih solarnih ćelija
su Japan, Nemačka, zatim SAD, Tajvan i Kina.
Cena fotonaponskih panela se u svetu kreće od 3 do 4 €/W u zavisnosti od veličine sistema
i tipa ćelija. Većina zemalja uvela je podsticajne mere za sve one koji se odluče za investiranje u
obnovljive izvore energije. U tome najviše prednjače Nemačka, Amerika, Danska i Španija.
Prednosti solarnih fotonaponskih elektrana su očigledne:
- uvek prisutno besplatno gorivo;
- ne zagaĎuju ţivotnu sredina;
- ne ispuštaju CO2 u atmosferu;
- ne stvaraju kisele kiše (zbog emisija sumpor-dioksida i azot-dioksida);
- ne stvaraju nikakav otpad;
- ne zagaĎuju zemljište i vodotokove;
- uklapaju se u “vršno dnevno opterećenje“ kada potrošnja raste preko dana;
- dodatna korist je otvaranje radnih mesta, posebno u fazi izgradnje solarne elektrane,
koja traje 3-4 godine;
- moguća je i ispaša stada izmeĎu fotoelektričnih panela;
- za rad ne koriste vodu itd.
I nedostaci su očigledni:
- energija se proizvodi samo preko dana, kada sunce sija;
- efekti rada solarne elektrane su umanjeni po oblačnom i kišovitom vremenu i zimi
kada je intenzitet sunčevog zračenja 4-5 puta manji u odnosu na leto;.
- veliki nedostatak je što zahvataju velike površine zemljišta. Primera radi, elektrana
instalirane snage 350 MWp zauzima prostor od oko 25 km2. Solarna elektrana od 50
MW zauzima prostor od oko 200 ha. I jedna pretpostavka: za celokupnu svetsku
proizvodnju električne energije iz solarnih elektrana, pri skromnom zračenju Sunca od
1.000 [kWh/godišnje] po m2, bio bi potreban prostor od oko 150×150 km itd.
Solarne termalne elektrane rade na principu indirektnog pretvaranja sunčeve energije u
električnu energiju odnosno rade na principu pretvaranja solarne energije u toplotnu, a zatim
toplotne u električnu energiju (pomoću parnih turbina i generatora), za razliku od solarnih
fotonaponskih elektrana koje rade na principu direktnog pretvaranja sunčeve energije u električnu
energiju.
30
Zbog potrebe za visokim temperaturama, gotovo sve vrste solarnih termalnih elektrana rade
na principu koncentrisanja (fokusiranja) sunčevog zračenja (npr. pomoću sistema ogledala ili
sistema sočiva) s velikog prostora na malu površinu, zbog toga se ove elektrane zovu i
koncentrisane solarne termalne elektrane CSP (Concentrating Solar Plant). Kako se tokom dana
poloţaj Sunca na nebu menja, tako se stalno menja i najpovoljniji ugao pod kojim padaju
Sunčevi zraci na ogledala, zbog toga je potrebno ugraditi sisteme koji će omogućiti da ogledala
stalno prilagoĎavaju svoj poloţaj poloţaju sunca. Ti sistemi su neophodni kako bi se dobila što
veća efikasnost inače skupih solarnih termalnih elektrana.
U principu se solarne termalne elektrane sastoje od reflektora sunčevog zračenja i solarnog
kolektora u kome se zagreva fluid, koji isparava i ta para prolazi kroz turbine ili toplotne motore
(npr. Stirlingov motor). Reflektori različitih oblika su u stvari sistemi sočiva ili češće sistemi
ogledala. Princip rada solarnih termalnih elektrana se zasniva na tome da se pomoću reflektora
usmerava (fokusira, koncentriše) energija sunčevog zračenja na kolektor-prijemnik (na jednu
liniju (kod paraboličnih reflektora) odnosno u jednu tačku (kod sferičnih reflektora)). Na taj
način se stvara velika količina toplote, usled čega se voda zagreva na visoke temperature od 200
do preko 1.000ºC (zavisno od sistema) i isparava, ta para se, kao i u konvencijalnim elektranama,
koristi za proizvodnju električne energije pomoću parnih turbina i generatora.
Ovo nije potrebno za grejanje zgrada i pripremu sanitarne tople vode, kao ni kod solarnog
hlaĎenja, ali se na ovaj način moţe zagrevati voda za podmirivanje potreba u naseljima koja
imaju distribuciju tople vode. TakoĎe na ovaj način postignute visoke temperature mogu se
iskoristiti za vrlo specijalizovane livnice metala i druge industrijske procese.
Problem kod fokusiranja je u tome što je potreban veliki prostor za elektranu, ali to se
rešava tako da se elektrane gradi u nenaseljenim područjima npr. u pustinjama. U pustinjama je
ionako snaga sunčevog zračenja najizraţenija.
Povećanje efikasnosti moguće je postići skladištenjem toplotne energije, na taj način,
omogućeno je da se električna energija proizvodi dok sunce ne sija, preko noći i po lošem
vremenu (za vreme smanjene insulacije - mera energije solarne radijacije primljene ili predane od
strane odreĎene površine u odreĎenom vremenu), zahvaljujući energiji koja se skladišti dok
sunce sija.
Pošto nemaju štetnih produkata prilikom proizvodnje električne energije, a efikasnost im je
velika (20 do 40%), predviĎa im se svetla budućnost. Kako je količina energije koja pada na
površinu zemlje izuzetno velika, izgradnjom takvih elektrana na sunčanim nenaseljenim
područjima (npr. u Sahari), energijom bi se moglo snabdevati veliki broj potrošača.
S obzirom na oblik reflektora (površina koje fokusiraju sunčevu svetlost) i način celokupne
izvedbe solarnih termalnih elektrana se dele na:
- Solarne termalne elektrane sa paraboličnim reflektorima u obliku korita (trough)
poreĎanih u duge paralelne redove,
- Solarne termalne elektrane sa sabirnim solarnim tornjem i heliostatima (pokretnim
ogledalima),
- Solarne termalne elektrane sa sfernim reflektorima u obliku tanjira i motor-
generatorskom grupom (Stirlingov motor spregnut sa električnim generatorom)
postavljenom u ţiţi sfere,
- Solarne termalne elektrane sa Frešnelovim reflektorima,
- Solarne uzgonske termalne elektrane (nisu koncentrisane).
Radni fluid kod prve dve vrste elektrana je rastvor soli ili voda, a kod treće su vodonik i
helijum. Sačinilac koncentracije sunčevog zračenja kod solarnih termalnih elektrana sa
paraboličnim reflektorima u obliku korita iznosi okvirno 30 do 100oC, a razvijaju temperature od
31
150-350oC. Sačinilac koncentracije sunčevog zračenja kod solarne termalne elektrane sa sabirnim
solarnim tornjem i heliostatima kreće se u granicama od 900 do 1.500oC sa temperaturom u ţiţi
preko 1.000oC. Sačinilac koncentracije sunčevog zračenja kod solarne termalne elektrane sa
sfernim reflektorima u obliku tanjira i motor-generatorskom grupom postavljenom u ţiţi sfere je
oko 200oC, a razvijaju temperature oko 400-500
oC.
1. Solarne termalne elektrane sa paraboliĉnim ogledalima u obliku korita poreĊanih u
duge paralelne redove
Sastoje se od dugih redova paraboličnih ogledala (zakrivljenih oko samo jedne osi) i
kolektora koji se nalazi iznad njih, slika 3.20.
Slika 3.20. Princip rada solarne termalne elektrane sa paraboličnim ogledalima u obliku korita
poreĎanih u duge paralelne redove
Primer ovakve elektrane je najveća solarna elektrana na svetu Andasol (ime je dobila po
skraćenici od reči Andaluzija (pusta visoravan u Španiji) + solarna), slika 3.21., koja je puštena u
pogon 2009. godine, čija je snaga 50 MWp. Opremljene su sa dva skladišta veličine 14×36 [m].
Sadrţaj skladišta su rastopljena so natrijuma i kalijum nitrata u odnosu pola-pola. Temperature u
skladištima su: hladno skladište oko 300oC, toplo oko 390
oC. To su, u stvari, toplotni
akumulatori. Skladištenjem toplote se gotovo udvostručuje rad solarne elektrane. Toplota koja se
čuva u 30.000 tona soli dovoljna je za pokretanje parnih turbina koje pokreću generatore, a oni
proizvode električnu energiju i do 8 časova nakon zalaska Sunca.
Slika 3.21. Princip rada najveće solarne termalne elektrane na svetu Andasol (Španija)
32
2. Solarne termalne elektrane sa solarnim tornjem i heliostatima
Ove elektrane imaju veliki broj pokretnih ogledala (heliostata) postavljenih oko središnjeg
mesta gde se nalazi toranj, slika 3.22 i slika 3.23. Pokretna ogledala fokusiraju Sunčevu energiju
prema vrhu tornja. Heliostati (pokretna ogledala) prate kretanje Sunca po dve ose, tokom dana i
kod promena leto-zima. Sabirni solarni toranj, “prijemnik”, visok je 165 m.
Slika 3.22. Princip rada solarne termalne elektrane sa solarnim tornjem i heliostatima
Slika 3.23. Solarne termalna elektrane sa sfernim reflektorima u obliku tanjira (dish) i motor-
generatorskom grupom
Cena solarne elektrane sa paraboličnim (koritastim) kolektorima iznosi oko 4.000-6.000
c€/kWh (evro cent po kilovat satu), dok je cena klasične termoelektrane oko 1.000-12.000
c€/kWh.
Što se tiče pogodnih mesta za elektrane, to su suva aridna prostranstva, polupustinje i
polustepe koje se ne koriste za potrebe poljoprivrede: zemlje Mediteranskog bazena, Sahara,
delimično i Srbija, pustinja Negev u Izraelu, pustinja Tara u Indiji, Australija, jug Meksika,
Nevada, Arizona, Kalifornija, pustinja Gobi u Kini i sl. Problem izgradnja solarnih elektrana na
tim mestima je u povezivanju na prenosnu električnu mreţu pošto su to uglavnom periferni
delovi zemalja, slabo razvijeni i retko naseljeni.
3.4 GEOTERMALNA ENERGIJA
Reč geotermalna potiče od dve grčke reči geo-zemlja i therme-toplota i znači toplota
zemlje, pa se prema tome pojam geotermalna energija odnosi na korišćenje toplote unutrašnjosti
Zemlje. Geotermalna energija je u stvari toplotna energija Zemlje koja se generiše u njenom
jezgru i polako putuje prema površini Zemlje.
33
Geotermalna energija je obnovljivi izvor energije, jer se toplota neprekidno proizvodi
unutar Zemlje različitim procesima. Na prvom mestu je prirodno raspadanje radioaktivnih
elemenata (prvenstveno urana, torijuma i kalijuma), koji se nalaze u suvim stenama, i proizvode
ogromnu toplotnu energiju. Osim radioaktivnim raspadom, toplota u Zemljinoj kori se stvara i na
druge načine: egzotermnim hemijskim reakcijama, kristalizacijom rastopljenih materijala i
trenjem pri kretanju tektonskih masa.
Geotermalna energija spada u obnovljivi izvor energije i u različitoj meri je prisutna svuda.
Samim tim je ekološki najprihvatljivija njena upotreba, a gledano ekonomski je najpovoljnija, jer
dolazi besplatno, ostvaruje se ušteda energije do 70% u grejanju stambenih, poslovnih i javnih
objekata.
Geotermalna energija se nalazi svuda ispod nas. Negde je lako dostupna skoro na samoj
površini zemlje u širokom opsegu temperatura i pogodna je za korišćenje na više načina. Na
drugim mestima se nalazi na većoj dubini i ukoliko su temperature više onda se isplati ulaganje u
njeno korišćenje.
Geotermalna energija je obnovljivi izvor energije koji koristi toplotu unutar zemljine kore.
Geotermalna energija se koristi u preko 20 drţava širom sveta. Neke od tih drţava su
Island, Sjedinjene Američke Drţave, Italija, Francuska, Litva, Novi Zeland, Meksiko, Nikaragva,
Kostarika, Rusija, Filipini, Indonezija i Narodna Republika Kina.
Na svakih 100 m ispod zemlje temperatura stena povećava se za otprilike 3°C.
Island je drţava koja je smeštena u području visoke koncentracije vulkanskih aktivnosti, a
takva mesta su idealna za korišćenje geotermalne energije. Preko 26% električne energije na
Islandu proizvodi se iz geotermalnih izvora energije. Dodatno, geotermalno grejanje koristi se za
grejanje 87% domaćinstava na Islandu. IslanĎani planiraju u potpunosti izbaciti fosilna goriva iz
upotrebe u bliskoj budućnosti.
Geotermalna energija naziva se obnovljivim izvorom energije jer se voda obnavlja pomoću
kiša, a toplota se konstantno proizvodi unutar jezgra Zemlje.
Uobičajen način korišćenja geotermalne energije je grejanje u hidrotermalnim područjima
tzv. geotermalnim izvorima. Ova područja su geološki aktivna mesta na kojima se voda probija u
zemljinu koru, tamo se zagreje i diţe prema površini.
Pre oko 10.000 godina Paleo-Indijanci koristili su vruće izvore geotermalne vode u
severnoj Americi za kuvanje. Prema njihovim ratnim pravilima, područja oko vrućih izvora bila
su neutralne zone. Ratnici suprotstavljenih plemena kupali bi se zajedno u miru.
Geotermalna energija se moţe koristiti za grejanja i hlaĎenja zgrada. Koristi se prednost
prirodno dostupne toplote unutar Zemlje. Za geotermalno grejanja nije potreban plamen, pa
prema tome nema ni proizvodnje gasova opasnih za zdravlje i nisu potrebne dodatne sigurnosne
mere kao kod fosilnih goriva.
Najpogodnija područja za korišćenje geotermalne energije nalaze se oko velikih granica
izmeĎu tektonskih ploča, a u tim područjima ima puno potresa i aktivnih vulkana. Najviše
geotermalnih aktivnosti na svetu dogaĎa se oko područja koje se naziva "Prsten vatre" (Ring of
Fire). Taj prsten okruţuje tihi okean.
Geotermalna energija se u nekim zemljama koristila hiljadama godina u obliku banja,
odnosno rekreaciono-lekovitog kupanja, u prošlosti su dobro poznati pozitivni terapeutsko-
zdravstveni efekti izvora vruće vode odnosno banja. MeĎutim, razvoj nauke nije se ograničio
samo na područje lekovitog korišćenja geotermalne energije već je korišćenje geotermalne
energije usmerio i prema proizvodnji električne energije, grejanju zgrada i potrebama
industrijskih postrojenja. To su glavni, ali ne i jedini, načini korišćenja geotermalne energija, ona
34
se takoĎe moţe koristiti i u druge svrhe kao što su npr: zagrevanje plivačkih bazena, zagrevanje
staklenika, sušenje drveta i vune, proizvodnji papira, pasterizaciju mleka, plansko stočarstvo itd.
Geotermalna energija se moţe koristiti direktno kao toplota bez daljih pretvaranja, te
pretvoriti u druge oblike energije, npr. u električnu energiju. Direktno korišćenje geotermalne
energije obuhvata široku lepezu primena, u zavisnosti od temperature leţišta: za kupanje i
banjske potrebe, grejanje i hlaĎenje prostora, toplotne pumpe, rashladnu tehniku, otapanje snega i
leda, uzgoj riba, grejanje staklenika, sušenje, fermentaciju, obradu pulpe, papira i drveta, itd.
Postoje tri osnovna načina (tehnologije) korišćenja geotermalne energije:
- koristi se direktno vruća voda koja izbija (ili se ispumpava) iz zemlje za grejanje kuća
ili staklenika, za pojedine postupke u industriji (npr. pasterizaciju mleka), za banje itd,
- koristi se pomoću geotermalnih pumpi topla voda, koja izbija iz plitkih geotermalnih
izvora, za grejanje i hlaĎenje,
- koristi se vruća voda ili para, koja izbija iz zemlje, za proizvodnju električne energije,
princip rada se ne razlikuje bitno od rada klasičnih termoelektrana na ugalj ili mazut,
razlika je samo u načinu na koji se dobija vodena para.
Zavisno od temperature vode (ili pare) u podzemlju razvijeno je nekoliko različitih
tehnologija.
Kada je u pitanju geotermalna energija stena, današnja tehnologija je ograničena na dubine
bušenja do 10 km, i samim tim je moguća eksploatacija do tih dubina. Ako se računa sa većim
dubinama ta je energija višestruko veća. U neposrednoj budućnosti i do časa kada bude ostvarena
tehnologija koja će omogućiti korišćenje ove energije, ostaje kao energetski izvor samo
hidrogeotermalna energija. Nje ima mnogo manje, ali je njena tehnička upotrebljivost velika, kao
i ekonomska opravdanost eksploatacije.
Ukoliko se računa sa korišćenjem do dubine od 3 km, rezerve hidrogeotermalne energije su
oko 2.000 puta više nego rezerve uglja. Najveći deo nosilaca energije ima temperature niţe od
100°C (oko 88%, a tek mali deo ima temperature iznad 150°C (oko 3%). Procenjeno je da zalihe
geotermalne energije daleko prevazilaze energetske zalihe uglja, nafte, prirodnog gasa i
uranijuma zajedno.
Osnovni medij koji prenosi toplotu 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
zagreva i cirkuliše nazad prema površini, gde se pojavljuje u obliku gejzira i vrućih izvora, slika
3.33.
Slike 3.33. Izvori geotermalne energije na površini Zemlje
Najpogodnija područja za korišćenje geotermalne energije se nalaze u područjima izraţene
vulkanske i tektonske aktivnosti tj. na rubovima tektonskih ploča. Zemlja je podeljena na
tektonske ploče koje se celo vreme kreću i sudaraju i time stvaraju mesta pogodna za korišćenje
geotermalne energije. Najpogodnija područja za korišćenje te energije nalaze se na takozvanom
Vatrenom prstenu (Ring of Fire).
Nedostaci proizlaze iz činjenice da je malo mesta na Zemlji gde se vrela voda u podzemlju
ne nalazi na prevelikoj dubini - takva područja, tzv. geotermalne zone vezane su uz vulkanizam
35
ili granice litosfernih ploča. Kako su to često i potresna područja sama gradnja postrojenja
zahteva povećane troškove. Često su udaljena od naseljenih područja, pa se stvaraju troškovi
prenosa energije, a ponekad su zaštićena pa gradnja nije dopuštena.
Jedna od najčešćih podela geotermalnih izvora je prema temperaturi geotermalnog fluida:
nisko temperaturni (do 100°C), srednje temperaturni (od 100 do 200°C) i visoko temperaturni
(preko 200°C). Tipovi geotermalnih izvora su: hidrotermalni, suve tople stene, geotlačni i
energija magme. Prvi se već široko iskorištavaju, dok su ostala tri tipa u eksperimentalnoj fazi.
Jedan od najzanimljivijih oblika korišćenja geotermalne energije je za proizvodnju
električne energije. Tu se koriste vruća voda i para iz Zemlje za pokretanje turbina, pa prema
tome nema sagorevanja fosilnih goriva i kao rezultat toga nema ni emisije štetnih gasova u
atmosferu, ispušta se samo vodena para.
Za proizvodnju električne energije iz geotermalnih izvora temperature moraju biti najmanje
100°C.
Počeci korišćenja toplote Zemlje za proizvodnju električne energije veţu se za malo
talijansko mesto Landerello i 1904 godinu, tada je započelo eksperimentisanje s tim oblikom
proizvodnje električne energije, koja je napajala pet sijalica, a taj se eksperiment smatra prvom
upotrebom geotermalne energije za proizvodnju električne energije. U tom mestu je 1911. počela
gradnja prve geotermalne elektrane koja je završena 1913., nazivna snaga joj je bila 250 kW. To
je bila jedina geotermalna elektrana na svetu za gotovo pola veka. Iako su sva postrojenja u
Landerello-u uništena u drugom svetskom ratu, postrojenja su ponovo izgraĎena i proširena te se
koriste i danas. To postrojenje i danas električnom energijom napaja oko milion domaćinstava tj.
proizvede se gotovo 5.000 GWh godišnje električne energije, što je oko 10% ukupne svetske
proizvodnje električne energije iz geotermalnih izvora. Iako je geotermalna energija obnovljivi
izvor energije, pritisak pare se u Landerello-u smanjio za 30% od 1950.
Geotermalne elektrane koje se danas nalaze u radu mogu se podeliti na tri osnovna tipa:
- elektrane sa suvom parom,
- elektrane s isparavanjem (jednostrukim i dvostrukim) i
- binarne elektrana.
1. Elektrane sa suvom parom, slika 3.34., koriste vrlo vruću paru, obično preko 235°C, za
direktno pokretanje turbine. Ovo je najjednostavniji i najstariji princip rada i još uvek se koristi,
jer je to daleko najjeftiniji princip proizvodnje električne energije iz geotermalnih izvora. Prva
geotermalna elektrana na svetu u Landerello-u radila je na ovom principu. Da bi se ekstrahovala
geotermalna energija iz vrućih kamenih slojeva zemljine unutrašnjosti voda se upumpava kroz
otvor za ubrizgavanje i prolazi kroz pukotine vrućih slojeva zemljine unutrašnjosti, a zatim se
kroz povratni otvor vraća nazad na površinu pod visokim pritiskom, pri čemu se pretvara u paru
kada doĎe do površine. Vruća para temperature preko 200 [°C] visokog pritiska, pokreće turbinu,
a ona rotor generatora koji proizvodi električnu energiju. Para sa turbine se kondenzuje i ponovo
vraća u stene. Trenutno najveća geotermalna elektrana na svetu, u severnoj Kaliforniji, proizvodi
električnu energiju na ovom principu još od 1960 godine. Količina proizvedene električne
energije iz tog postrojenja dovoljna je za snabdevanje grada veličine San Franciska.
36
Slika 3.34. Elektrana sa suvom parom
Ukupni kapaciteti za proizvodnju električne energije iz geotermalne energije u svetu 2010.
bili su 10.715 MW, što je za 20% rast u odnosu na 2005. kad je bilo instalirano ukupno 8.933
MW u 24 drţave.
Sjedinjene Američke Drţave i dalje su lider u proizvodnji električne energije iz
geotermalnih izvora energije sa 3.086 MW instaliranih kapaciteta.
I dalje se geotermalna energija najviše koristi na području tzv. prstena vatre (engl. ring of
fire) slika 3.37., ali se u odnosu na 2005. primećuje i trend korišćenja geotermalne energije u
područjima koja su do tada smatrana lošim za korišćenje tog oblika energije. To se ponajviše
odnosi na evropske drţave poput Francuske, Latvije, Nemačke i Velike Britanije koje su za
razvoj geotermalne energije uvele razne podsticaje koji smanjuju rizik od neuspeha ovih
projekata. Iako u zadnjih nekoliko godina nije bilo velikih projekata, geotermalna energija u
Evropi za sad se najviše eksploatiše u Italiji, gde je instalirano ukupno 843 MW geotermalnih
kapaciteta što je ekvivalentno jednoj prosečnoj nuklearnoj elektrani. U Italiji je to moguće zbog
regije Larderello - područja s gotovo idealnom pozicijom za korišćenje geotermalne energije. U
toj regiji vrlo vruće granitne stene nalaze se neobično blizu površine i proizvode vruću paru
temperature 220°C.
Slika 3.37. Prsten vatre (ring of fire) na karti sveta
Drugi zanimljiv oblik korišćenja geotermalne energije je za grejanje. Geotermalna energija
se koristi i u poljoprivredi za povećanje prinosa. Voda iz geotermalnih rezervoara koristi se za
grejanje staklenika za proizvodnju cveća i povrća. Pod grejanjem staklenika ne podrazumeva se
37
samo grejanje vazduha, već i zagrevanje zemljišta u kome biljke rastu. Vekovima se ovo koristi u
centralnoj Italiji, a MaĎarska trenutno pokriva 80% energetskih potreba staklenika geotermalnom
energijom.
Postoji još vrlo širok spektar upotrebe geotermalne energije, neke od tih upotreba su
uzgajanje ribe, razne vrste industrijskih upotreba, balneologija – korišćenje za rekreaciju i lečenje
(banje) i slično.
Toplotne pumpe su jedna od mogućih upotreba geotermalne energije. Toplotne pumpe
troše električnu energiju za cirkulaciju geotermalne tečnosti, a ta tečnost kasnije se koristi za
grejanje, hlaĎenje, kuvanje i pripremu tople vode i na taj način znatno se smanjuje potreba za
električnom energijom.
Pošto je procenjena ukupna količina geotermalne energije koja bi se mogla iskoristiti
znatno veća nego ukupne količine energije nafte, uglja i zemnog gasa zajedno onda geotermalnoj
energiji treba posvetiti veću paţnju. Naročito ako se uzme u obzir da je reč o jeftinom,
obnovljivom izvoru energiju koji je pored toga i ekološki prihvatljiv. Pošto geotermalna energija
nije svuda lako dostupna, trebalo bi iskoristiti barem mesta na kojima je ta energija lako dostupna
(rubovi tektonskih ploča) i tako barem malo smanjiti pritisak na fosilna goriva i time pomoći
Zemlji da se oporavi od štetnih gasova sa efektom staklene bašte.
Island je drţava koja najviše koristi svoj prirodni poloţaj za korišćenje geotermalne
energije. Najveći geotermalni sistem koji sluţi za grejanje nalazi se na Islandu, odnosno u
njegovom glavnom gradu Reykjavik-u u kojem gotovo sve zgrade koriste geotermalnu energiju,
te se čak 89% islandskih domaćinstava greje na taj način.
Iako je Island sigurno najveći korisnik geotermalne energije po glavi stanovnika sa 89%
svih islandskih domaćinstava koja se greju na taj način, nije usamljen na području korišćenja
geotermalne energije. Geotermalna energija se uveliko koristi i u područjima Novog Zelanda,
Japana, Italije, Filipina te i nekih delova SAD-a kao što je San Bernardino u Kaliforniji te u
glavnom gradu Idaho-a Boise-u.
Prednosti korišćenja geotermalne energije su:
- radi se o obnovljivom izvoru energije, odnosno toplota neprestano izvire iz zemljine
unutrašnjosti, što predstavlja glavnu prednost korišćenja ovog izvora energije;
- korišćenje geotermalne energije nema skoro nikakav negativan uticaj na ţivotnu
sredinu i ne doprinosi efektu staklene bašte, u pravilu nema štetnih emisija, osim
vodene pare, ali ponekad mogu biti i drugi gasovi;
- geotermalne elektrane ne zauzimaju mnogo prostora i samim tim malo utiču na
ţivotnu sredinu;
- upitanju je ogroman energetski potencijal, koji obezbeĎuje neograničeno napajanje
energijom;
- nema potrebe za gorivom;
- kada se izgradi geotermalno postrojenje, energija je gotovo besplatna, uz manju
lokalnu potrošnju;
- mogućnost višenamenskog korišćenja resursa (utiče na ekonomsku opravdanost
eksploatacije), mogu se koristiti u najrazličitijim okruţenjima od farmi, osetljivih
pustinjskih površina pa sve do šumsko-rekreativnih područja;
- geotermalna voda sadrţi mnoštvo minerala i različitih ostalih hemijskih elemenata što
ima izraţene zdravstvene i terapeutske efekte naročito na razne vrste koţnih bolesti;
- radi se o jeftinom, stabilnom i trajnom izvoru energije itd.
38
Nedostaci korišćenja geotermalne energije su:
- nema puno mesta na svetu koja su izuzetno pogodna za korišćenje geotermalne
energije (poloţaj, dubina, temperatura, procenat vode u odreĎenom geotermalnom
rezervoaru i sl.), što predstavlja glavni nedostatak korišćenja geotermalne energije;
- ograničenja s obzirom na sastav stena i mogućnost pristupa i eksploatacije;
- izvor toplotne energije moţe biti iscrpljen usled neodgovarajuće eksploatacije;
- prisustvo opasnih gasova i minerala predstavljaju poteškoću prilikom eksploatacije;
- potrebne visoke početne investicije (početak korišćenja i razvoj) i visoki troškovi
odrţavanja (izazvani korozijom, naslagama minerala i dr.) itd.
3.5 ENERGIJA OKEANA
Svet je došao u vreme kada mu treba sve više i više energije pošto potrošnja energije
znatno raste. MeĎutim, ne samo da svetu treba energija, već mu treba energija iz obnovljivih,
ekološki prihvatljivih izvora energije koji ne uzrokuju ekološke probleme kao što su globalno
zagrevanje i zagaĎenje vazduha. Jedan od tih novih obnovljivih izvora energije svakako bi mogla
biti i energija okeana čija će vaţnost sigurno biti puno veća u budućnosti.
Okeani pokrivaju više od 70% Zemljine površine i zato predstavljaju vrlo interesantan
izvor energije, koji bi u budućnosti mogao davati energiju kako domaćinstvima, tako i
industrijskim postrojenjima. Trenutno je energija okeana izvor energije koji se vrlo retko koristi,
jer trenutno postoji mali broj elektrana koje koriste energiju okeana, a osim toga te su elektrane
još uvek malih snaga tako da je deo energije koji se odnosi na energiju okeana u stvari
zanemarljiv na globalnoj skali. MeĎutim, kako obnovljivi sektor dobija sve veće značenje s njime
bi trebalo takoĎe porasti i korišćenje, ovog u najmanju ruku zanimljivog izvora energije. Postoje
tri osnovna načina na koje se moţe koristiti energija okeana:
- Pretvaranjem energija talasa u električnu energiju,
- Pretvaranjem energija plime i oseke u električnu energiju,
- Pretvaranjem toplotne energije okeana u električnu energiju, korišćenjem razlike
temperatura izmeĎu duboke i plitke vode.
Pretvaranje energije talasa u elektriĉnu energiju
Energija talasa je oblik transformisane Sunčeve energije koja stvara stalne vetrove na
nekim delovima Zemlje. Ti vetrovi uzrokuju stalna talasanja na odreĎenim područjima i to su
mesta na kojima je moguće korišćenje njihove energije. Veliki problem kod takvog korišćenja
energije je da elektrane treba graditi na pučini jer u blizini obale talasi slabe. To znatno povećava
cenu gradnje, ali nastaju i problemi prenosa te energije do korisnika. Rezultati u trenutnoj fazi
dospeli su tek do prototipova i demonstracionih ureĎaja. Na slici 3.38. se vidi princip pretvaranja
energije talasa u električnu energiju. Energija talasa se prvo pretvara u strujanje vazduha, a taj
vetar pokreće turbinu. Amplituda talasa mora biti velika da bi pretvaranje bilo efikasno.
Energija talasa je oblik kinetičke energije koja postoji u kretanju talasa u okeanu, a kretanje
talasa uzrokuje duvanje vetrova po površini okeana. Ta energija moţe biti korišćena da pokrene
turbine, te postoji dosta mesta gde su vetrovi dovoljno snaţni da proizvedu stalno kretanje talasa.
Ogromne količine energije kriju se u energiji talasa te joj to daje ogroman energetski potencijal.
Energija talasa se direktno hvata ispod površine talasa ili iz raznih fluktuacija pritisaka ispod
površine. Tada ta energija moţe pogoniti turbinu, a najjednostavniji i najčešći način
funkcioniranja je sledeći: talas se diţe u komori, a rastuće sile vode teraju vazduh iz komore te
tako pokretljivi vazduh zatim pogoni turbinu, a koja onda pokreće generator.
39
Slika 3.38. Princip pretvaranja energije talasa u električnu energiju
Pretvaranje energije plime i oseke u elektriĉnu energiju
Drugi tip energije okeana je energija plime i oseke, pošto kad morske mene doĎu na obalu,
mogu se zatvoriti u rezervoare iza brana. Energija plime i oseke je u stvari forma hidroenergije
koja koristi kretanja vode, a koja se dogaĎaju zbog morskih mena, odnosno spuštanja i dizanja
nivoa mora. Velike podvodne turbine postavljene su u područja s velikim morskim menama,
konstruisane tako da uhvate kinetičko kretanje nadirućih morskih mena, kako bi pokretale
turbine, a one rotore generatora u kojim bi se proizvodila električna energija. Energija plime i
oseke ima ogroman potencijal za buduće energetske projekte, ponajviše zbog ogromnih površina
svetskih okeana [88].
Pretvaranje toplotne energije okeana u elektriĉnu energiju
Pretvaranje toplotne energije okeana u električnu energiju se zasniva na korišćenju
temperaturne razlike koja postoji izmeĎu duboke i plitke vode okeana, jer je voda na većoj dubini
hladnija. Sam princip proizvodnje električne energije je vrlo jednostavan. Topla površinska voda
koristi se za grejanje tečnosti koja ima nisku temperaturu ključanja (npr. propan), stvorena para
pokreće turbine generatora električne energije, a nakon toga se ta para hladi hladnom vodom iz
dubine okeana i time se pretvara nazad u tečno stanje. Ukupna količina energije koja se moţe
dobiti korišćenjem ovog načina pretvaranja energije je jedan do dva reda veličine veća od ostalih
metoda korišćenja energije okeana, kao što je na primer korišćenje energije talasa ili korišćenje
energije plime i oseke. Veliki problem kod korišćenja ovog oblika energije je skupa oprema i
mala ukupna efikasnost procesa. Efikasnost je zbog male temperaturne razlike izmeĎu 1 i 3%.
Glavna prednost procesa je ekološka čistoća dobijanja energije i ogromne zalihe energije koja bi
se mogla iskoristiti.
3.6 GORIVNE ĆELIJE
Gorivne ćelije pretvaraju hemijsku u električnu energiju, a kao gorivo koriste vodonik. U
njima se na elektrodama molekuli vodonika i kiseonika pretvaraju u vodu, a kroz kolo počinje da
teče električna struja. Za razliku od, na primer, motora sa unutrašnjim sagorevanjem kakvi
postoje u automobilima, ovde se dobija čista i jeftina energija, a ne postoje nusprodukti kao što
su izduvni gasovi. OslobaĎa se samo vodena para.
Gorivna ćelija se u najprostijem obliku sastoji od dve elektrode, koje su odvojene
membranom ili elektrolitom, slika 3.41. Na anodu se dovodi gorivo, vodonik, koji oksiduje. Na
katodu se dovodi oksidaciono sredstvo, kiseonik, koje se tu redukuje. Elektrode su najčešće
presvučene katalizatorom kao što je, na primer, platina, koja omogućava veću efikasnost.
MeĎutim, i ona ima svoja ograničenja, jer je nestabilna i vremenom se rastvara i gomila na
membrani pa ćelija gubi na efikasnosti i snazi. Najveći izazov naučnika danas je da pronaĎu
upravo materijal koji bi posluţio kao katalizator i učinio gorivnu ćeliju znatno efikasnijom.
40
Slika 3.41. Osnovni delovi gorivne ćelije
Goriva ćelija je ureĎaj koji stvara električnu energiju direktno iz hemijske. U principu je
vrlo slična bateriji, meĎutim goriva ćelija se nikada neće istrošiti sve dok se snabdeva sa
kiseonikom i gorivom. Gorive ćelije su čak dva do tri puta efikasnije od motora sa unutrašnjim
sagorevanjem u konverziji energije goriva u korisnu energiju, a na izlazu, daju jednosmernu
električnu energiju koja se moţe koristiti u razne svrhe.
Kao gorivo mogu se koristiti razne supstance, od vodonika, preko ugljovodonika do
alkohola, dok se kao oksidansi mogu koristiti vazduh, hlor i hlor-dioksid. Svakako kao idealna
kombinacija predstavlja se vodonik kao gorivo i vazduh kao oksidans, pri čemu se kao
nusprodukt reakcije stvara voda, dakle dobija se ekološki idealan izvor energije.
Vodonik je, kao obnovljiv izvor energije, najprivlačnije gorivo za gorivne ćelije, jer ima
odličnu elektrohemijsku reaktivnost, obezbeĎuje odgovarajuću gustinu snage za automobilsku
primenu i u toku reakcije ne proizvodi zagaĎujuće produkte.
Vodonik je najobilniji element u univerzumu, ali je više od 99% vodonika vezano u
jedinjenjima sa drugim elementima kao što je to kiseonik u vodi ili ugljenik u fosilnim gorivima.
Iako za sada u komercijalnoj upotrebi ne postoje automobili pogonjeni na gorivne ćelije,
poslednjih godina izraĎen je veliki broj prototipova, uključujući i modele Tojote i Mercedesa.
Uopšte, smatra se da bi automobilska industrija mogla da ima najviše koristi od gorivnih ćelija.
Ujedno bi njihov blagotvorni uticaj na ţivotnu sredinu tu najviše došao do izraţaja.
Vodonične gorive ćelije predstavljaju vrlo primamljivu i istovremeno izvodljivu energetsku
tehnologiju koja ima osnovnu prednost u tome da nema nikakvo zagaĎenje. One već imaju
inicijalnu primenu i predstavljaju obećavajuće rešenje za pogon automobila, slika 3.43.
Slika 3.43. Vodonične gorivne ćelije za pogon automobila
41
Na raznim stranama sveta trenutno krstari oko 100 autobusa pogonjenih na ovaj način: u
SAD, Nemačkoj, Kanadi, Kini, Britaniji, Brazilu itd. Oni su se pokazali kao znatno ekonomičniji
od autobusa na dizel, ali su još na probi.
MeĎutim, mnogi smatraju da gorivne ćelije nikada neće biti toliko napredne da automobili
koji se njima pogone zaista postanu konkurentni, a pogotovo profitabilni. MeĎutim, cena njihove
izrade polako opada pa se smatra da će ipak dobiti svoju šansu.
3.7 BIOMASA
Pojam biomasa koji je zapravo skraćenica pojma biološka masa. Biomasa predstavlja jedan
od najznačajnijih obnovljivih izvora energije, to je zajednički pojam za brojne, najrazličitije
organske materije biljnog i ţivotinjskog porekla (biljaka, ţivotinja i njihovih produkata), koje se
različitim procesima pretvaraju u druge oblike energije pogodne za dalju upotrebu.
Energija biljnog porekla predstavlja, procesom fotosinteze akumuliranu svetlosnu energiju
kojom se svetlost transformisala u hemijsku energiju. U toku fotosinteze biljke koriste ugljen-
dioksid iz vazduha i vodu u cilju stvaranja ugljenih hidrata, koji predstavljaju osnovne gradivne
elemente biomase. Na ovaj način se svetlosna odnosno sunčeva energija akumulira u hemijskim
vezama strukturnih komponenti biomase.
Sa druge strane, osnovni izvor biomase ţivotinjskog porekla je čvrsti i tečni stajnjak.
Biomasa je biorazgradljivi deo proizvoda, otpada i ostataka proizvedenih u poljoprivredi
(uključujući materije biljnog i ţivotinjskog porekla), u šumarstvu i srodnim industrijama i
domaćinstvima, kao i biorazgradljivi deo industrijskog i komunalnog otpada.
Biomasa se dobija iz biljaka, ţivotinja i gradskog otpada.
U biomasu spadaju:
- šumska (drvna) biomasa, koju čine drvo i ostaci pri seči šuma (drvno iverje, granje i
sl.);
- biomasa iz drvno-prerađivačke industrije, koju čine biorazgradljivi ostaci i otpad iz
drvno-preraĎivačke industrije koji ne sadrţe opasne supstance, kao što su ostaci i
otpad pri rezanju, brušenju, blanjanju, kao i pri drugim vrstama obrade drveta;
- poljoprivredna biomasa, koju čine ostaci iz ratarske proizvodnje (slama (pšenična),
kukuruzovina, oklasak, stabljike i sl.) kada se odvoji glavni proizvod (pšenica,
kukuruz, suncokret i sl.), zatim ostaci rezidbe u voćarstvu i vinogradarstvu (granje i
sl.), potom ostaci primarne i sekundarne prerade poljoprivrednih proizvoda (koštice,
ljuske i sl.);
- biomasa sa stočarskih i živinarskih farmi, koju čine ostaci ţivotinjskog porekla nastali
u poljoprivredi (čvrsti i tečni stajnjak (stajsko Ďubrivo)), kukuruzna silaţa, lešine
ţivotinja i sl.
- energetski zasadi, to su biljke bogate uljem ili šećerom, u velikim količinama sadrţe
ugljenik, kao što su: brzorastuće drveće i kineske trske, eukaliptus, zelene alge, topole,
vrbe, jablani i sl.
- separisana biorazgradljiva frakcija komunalnog otpada, predstavlja otpad iz
domaćinstava-kuhinja (zelena frakcija kućnog otpada), otpad iz firmi, otpad od
odrţavanja prirodne okoline (biomasa iz parkova i vrtova) i mulj iz kolektora
(prečišćivača) otpadnih voda.
- biorazgradljivi ostaci u prehrambenoj industriji, koji ne sadrži opasne supstance,
- ostaci u komercijalnoj proizvodnji riba itd.
42
- biljni i životinjski materijali korišćeni prilikom proizvodnje raznih vlakana i
hemikalija,
S obzirom na postojanje vrlo velikog broja otpadnog materijala, koji u odreĎenoj meri
sadrţi biomasu, ali pored biomase sadrţi štetne i opasne materije, razvijene zemlje pod pojmom
biomasa uglavnom definišu gorivo koje se moţe smatrati kao čisto gorivo, bez štetnih i opasnih
materija u sebi, koje se mogu naći u obojenim i na neki drugi način hemijski tretiranim drvetom,
pri procesima u drvno-preraĎivačkoj industriji.
Ne smatraju se biomasom:
- fosilna goriva (ugalj, nafta i naftni derivati, prirodni gas i uljani škriljci),
- ostaci drveta koji sadrţe polihlorovane trifenile, ţivu i druge štetne materije koje se
pri termičkom korišćenju drveta, emituju u količinama preko dozvoljenih granica;
- treset;
- papir i karton;
- tekstil;
- delovi tela ţivotinja;
- mešavina gradskog (komunalnog) čvrstog otpada;
- industrijski otpad, izuzev onog koji se podrazumeva pod biomasom;
- komercijalni otpad;
- kanalizacioni otpad
- deponijski gas i
- gas iz postrojenja za tretman kanalizacionih voda i otpadnih voda iz prehrambene i
drvno-preraĎivačke industrije koje ne sadrţe opasne materije.
Prvi i najstariji izvor energije koji su ljudi koristili je biomasa, to je obnovljivi izvor
energije koji se danas široko koristi i koji doprinosi zaštiti naše okoline, kao i generalno,
otvaranju novih radnih mesta i ukupnom razvoju gradova, opština i cele drţave.
Istorijski gledano, biomasa je bila osnovni izvor energije za čovečanstvo, uglavnom u
obliku drveta koje se koristilo za grejanje i spremanje hrane, dok su industrijskom revolucijom
primat preuzela fosilna goriva.
U Srbiji se biomasa uglavnom upotrebljava na tradicionalan način i to u vidu energije za
grejanje, kuvanje ili zagrevanje tople vode. Pored ovih vidova upotrebe, biomasa se moţe
koristiti i u kogeneracijskim postrojenjima za proizvodnju električne i toplotne energije, potom
kao sirovina za proizvodnju biogoriva, a moţe se koristiti i u industriji za proizvodnju vlakana i
hemikalija. Biomasa je jedini oblik obnovljivih izvora energije iz kojeg se mogu dobiti tečna i
gasovita goriva koja nisu fosilnog porekla.
Energetska politika EU nastoji da što pre ispravi neke pogrešne razvojne korake u primeni
biomase ili odgovarajućih tehnologija. To je uglavnom slučaj sa neodrţivom eksploatacijom
biomase, prevelikim udelom fosilnih goriva u finalnom proizvodu (usled transporta, sekundarnih
transformacija i sl.), ugroţavanja biološke raznovrsnosti vrsta, ili usled konflikta sa lancima
proizvodnje hrane. Pogotovo se intenzivno istraţuju uticaji na odrţivost proizvodnje biomase za
energiju i na emisije gasova sa efektom staklene bašte tokom celog lanca proizvodnje i
eksploatacije. Time se meĎutim unosi doza neizvesnosti u poslovanje sa biomasom, odnosno
zahteva se od učesnika u ovim aktivnostima budno praćenje novih saznanja i analiza. Veoma je
prepoznatljiv opšti pravac ka upotrebi biomase sa sve lošijim kvalitetima za dalju preradu, kao i
nastojanje da se smanji nepovoljan uticaj na lance proizvodnje hrane.
43
Jedan od najbitnijih faktora koji odreĎuju potencijalnu ulogu biomase kao izvora
energije, predstavlja jaka konkurencija koja postoji izmeĎu vrednosti biomase i zemljišta
neophodnog za njen uzgoj, što nije slučaj sa ostalim obnovljivim izvorima. Biomasa moţe da se
koristi kao hrana, Ďubrivo, za proizvodnju papirnih vlakana i kao gorivo.
Čak i meĎu derivatima biomase postoji konkurencija koja moţe da smanji njen značaj kao
potencijalnog goriva: stajnjak je vaţno Ďubrivo, papir moţe da se reciklira, ljuspice pamuka
mogu da se koriste u naftnim bušotinama, piljevina moţe da se koristi kao zaštitni sloj plodnog
zemljišta, a otpadne masti iz restorana kao hrana za domaće ţivotinje. Iako mnogi stručnjaci
smatraju da biomasa moţe da se uzgaja isključivo za energetske potrebe, njena dvostruka ili
višestruka uloga se ne moţe zanemariti uključujući i ulogu sekundarnih proizvoda ţetve.
Poslednjih godina se krenulo sa uzgajanjem brzorastućih drvenastih biljaka koje se svake
druge godine seku i daju prirast biljne mase od 12 t godišnje po hektaru nekvalitetnog zemljišta.
Iako pretvaranje u toplotnu energiju (grejanje kuća, grejanje vode) predstavlja glavni oblik
korišćenja energije drva, deo energije drva se pretvara i u električnu energiju.
Korišćenje biomase se isplati samo ako je mesto njenog nastajanja u blizini mesta njenog
korišćenja (najdalje 10-15 km), zbog cene transporta i manipulacije.
Biomasa se odnosi na organsku materiju - otpad uglavnom biljnog porekla, koji se moţe
koristiti kao gorivo. Nešto od toga uglavnom leţi svuda naokolo kao granje, lišće, ostaci orezane
ţive ograde, panjevi, ostaci useva na njivama, piljevina i kora od drveća. Sa farmi kao biomasa
moţe da se iskoristi stajnjak, od koga imamo korist za proizvodnju biogasa kao pogonskog
goriva i za proizvodnju kvalitetnog organskog Ďubriva.
1. Šumska (drvna) biomasa
Šumska (drvna) biomasa obuhvata drvnu biomasu i ostatke pri seči šuma (drvno iverje,
granje i sl.).
Osnovne karakteristike drvne biomase kao energenta iste su kao kod svakog goriva:
hemijski sastav, toplotna moć, temperatura samozapaljenja, temperatura sagorevanja, fizička
svojstva koja utiču na toplotnu moć (npr. gustina, vlaţnost i dr). Osnovna veličina za proračun
energije iz odreĎene količine drveta jeste njegova toplotna vrednost (moć). Najveći uticaj na nju
ima vlaţnost (udeo vlage), potom hemijski sastav, gustina i zdravost drveta. Za naše podneblje
vaţno je utvrditi i vrstu drveta, radi odreĎivanja njegove toplotne vrednosti, da li je listopadno ili
četinarsko, odnosno tvrdo ili meko, jer je udeo pojedinih sastojaka pri tome različit, kao i
materija koje se mogu koristiti kao gorivo.
2. Biomasa iz drvno-preraĊivaĉke industrije
Biomasu iz drvno-preraĎivačke industrije čine biorazgradljivi ostaci i otpad iz drvno-
preraĎivačke industrije koji ne sadrţe opasne supstance, kao što su ostaci i otpad pri rezanju,
brušenju, blanjanju, kao i pri drugim vrstama obrade drveta. Biomasa iz drvne industrije se
koristi kao gorivo u kotlovima i kao sirovina za proizvodnju peleta i briketa. Često je otpad koji
opterećuje poslovanje drvnih industrija mnogo jeftinije i kvalitetnije gorivo od šumske biomase
(31% teritorije Srbije), a takoĎe je daleko opravdaniji za korišćenje nego fosilna goriva.
3. Poljoprivredna biomasa
Poljoprivrednu biomasu čine ostaci iz ratarske proizvodnje (poput slame (pšenične),
kukuruzovine, oklaska, stabljika i sl.) koji se dobiju kada se odvoji glavni proizvod (pšenica,
kukuruz, suncokret i sl.), zatim ostaci rezidbe u voćarstvu i vinogradarstvu (granje i sl.), potom
ostaci primarne i sekundarne prerade poljoprivrednih proizvoda (koštice, ljuske i sl.). Znači,
poljoprivrednu biomasu čine ostaci godišnjih kultura kao to su: slama, kukuruzovina, oklasak,
stabljike, ljuske, koštice i sl.
44
Za Srbiju bi posebno bila interesantna upotreba ostataka i otpadaka iz poljoprivrede u cilju
dobijanja energije, toplotne, a i električne, posebno ako se zna da je 58% teritorije pod obradivim
površinama. Iskustva iz razvijenih zemlja, u Evropi posebno Danske, pokazuju kako se radi o
vrednom izvoru energije koga ne treba zanemariti. Na primer, nakon berbe kukuruza na njivama
ostaje kukuruzovina (stabljika sa lišćem). Pošto je prosečni odnos zrna i kukuruzovine 53%
prema 47%, proizilazi kako kukuruzovine ima pribliţno koliko i zrna. Iako je neosporno kako se
kukuruzovina mora prvenstveno vraćati u zemlju, preporučuje se zaoravanje 30% do 50%
kukuruzovine, što znači da za energetsku primenu ostaje najmanje 50%. To predstavlja značajnu
količinu, ako bi se preostala kukuruzovina iskoristila za ogrev zimi ili za sušenje poljoprivrednih
kultura i sl., uštedela bi se energija koja se koristila za tu namenu. Procenat od najmanje 50%
iskorišćenja kukuruzovine sa jedne strane se moţe činiti malim, ali za poljoprivredna područja
kao što su Semberija, Vojvodina i dr., gde se godišnja proizvodnja kukuruza meri u stotinama
hiljada tona to predstavlja jako veliki izvor energije.
4. Biomasa sa stoĉarskih i živinarskih farmi
Biomasu sa farmi ţivotinja čine ostaci ţivotinjskog porekla nastali u poljoprivredi (čvrsti i
tečni stajnjak (stajsko Ďubrivo)), kukuruzna silaţa, lešine ţivotinja i sl. Moţe se koristiti izmet
ţivotinja ili kukuruzna silaţa za anaerobnu razgradnju u digestoru i proizvodnju biogasa, iz koga
se moţe proizvoditi toplotna i električna energija, slika 3.44. Zatim, moţe se vršiti spaljivanje
lešina (npr. u preraĎivačkim farmama) itd.
Slika 3.44. Proizvodnja biogasa i biodizela
5. Energetski zasadi
Energetski zasadi su biljke bogate uljem ili šećerom, u velikim količinama sadrţe ugljenik
C, kao što su: brzorastuće drveće i kineske trske s godišnjim prinosom od 17 tona po hektaru,
eukaliptus s prinosom 35 tona suve materije po hektaru, zelene alge s prinosom od 50 tona po
hektaru i sl. U Srbiji se najviši prinosi postiţu s topolama, vrbama i jablanima. Svojstva ovakvih
energetskih zasada su:
- kratka oplodnja, veliki prinosi;
- korišćenje otpadnih voda, gnojiva i taloga (vegetacioni filteri);
- izbegavanje viškova u poljoprivrednoj proizvodnji itd.
Na toplotnu moć nedrvne biomase podjednako utiču udeo vlage i pepela. Udeo pepela u
nedrvnim biljnim ostacima moţe iznositi i do 20% pa značajno utiče na toplotnu moć.
45
3.7.1 PREDNOSTI KORIŠĆENJA ENERGIJE BIOMASE
O prednostima i nedostacima korišćenja biomase kao izvora energije u odnosu na druge
izvore energije vode se mnoge rasprave. Usprkos različitim mišljenjima, većina naučnika tvrdi da
biomasa ima mnoge prednosti u odnosu na fosilna goriva i da znatno doprinosi smanjenju ukupne
emisije ugljen-dioksida u atmosferu.
Postoji mnogo prednosti i sa ekološkog i sa privrednog aspekta koji pokazuju opravdanost
korišćenja biomase kao izvora energije, glavne su:
1. Biomasa predstavlja obnovljivi izvor energije
Što znači da se ne moţe potrošiti kao što je to slučaj sa fosilnim gorivima, jer biomasu
uglavnom sačinjavaju biljke, koje uvek mogu rasti iznova.
2. Korišćenje energije biomase doprinosi smanjenju emisije gasova sa efektom
staklene bašte, odnosno ne doprinosi globalnom zagrevanju
Iako prilikom korišćenja energije (sagorevanja) biomase dolazi do emitovanja gasova sa
efektom staklene bašte, to je znatno manje izraţeno nego prilikom korišćenja energije fosilnih
goriva. Glavna razlika u korišćenju energije biomase u odnosu na korišćenje energije fosilnih
goriva je u tome što se korišćenjem energije biomase zatvara ciklus kruţenja ugljen-dioksida.
Sagorevanjem biomase ne dolazi do povećanja koncentracije ugljen-dioksida u zemljinoj
atmosferi, jer će nastali ugljen-dioksid druge biljke potrošiti za svoj rast u neprekidnom
uravnoteţenom procesu kruţenja materije. Ovo nije slučaj sa ugljen-dioksidom nastalim
sagorevanjem fosilnih goriva, jer se tada davno akumuliran ugljen-dioksid procesom sagorevanja
emituje u atmosferu i povećava se koncentracija gasova koji izazivaju efekat staklene bašte. U
ovom slučaju nema procesa vraćanja ugljen-dioksida iz atmosfere, što znači da se radi o
jednosmernom procesu.
Tokom svog rasta biljke iz atmosfere uzimaju ugljen-dioksid, a prilikom sagorevanja
ispuštaju ga nazad u atmosferu, slika 3.45. Druge biljke tokom svog rasta uzimaju taj ispušteni
ugljen-dioksid iz atmosfere. Biomasa je deo zatvorenog ciklusa kruţenja ugljenika, ugljenik iz
biomasa koji sačinjava otprilike 50% njene mase je već deo atmosferskog ugljeničnog kruga.
Slika 3.45. Biomasa je deo zatvorenog ciklusa kruţenja ugljen-dioksida
Korišćenje biomase moţe više da pomogne u smanjenju globalnog zagrevanja u odnosu na
fosilna goriva.
46
Prilikom rasta biljke vezuju i skladište CO2 iz vazduha u sebi. Ovaj CO2 se kasnije
prilikom sagorevanja oslobaĎa i odlazi u atmosferu. MeĎutim pravoremenim zasadima i usevima
ovaj osloboĎeni CO2 ponovo vezuju novo-zasaĎene biljke i formira se krug iz koga CO2 ne
izlazi. MeĎutim ukoliko se ne planira na vreme i formiraju se novi zasadi da bi se biljke zamenile
novim, sagorevanje biomase moţe da poveća efekat staklene bašte.
Kako to da sagorevanje biomase ne povećava količinu ugljen-dioksida u atmosferi?
Tokom fotosinteze biljke uz pomoć Sunčeve energije preko lista uzimaju iz vazduha
ugljen-dioksid CO2, a kroz koren uzimaju vodu H2O i hranjive materije i pri tome stvaraju
ugljene hidrate C6H12O6 (koji predstavljaju osnovne gradivne elemente biomase) i ispuštaju
kiseonik O2, slika 3.46:
6CO2 + 6H2O + Sunčeva energija (svetlost) = C6H12O6 (glukoza /šećer/) + 6O2
Slika 3.46. Proces fotosinteze
Ovo se dogaĎa danju kada ima svetlosti. Noću kada nema svetlosti biljke samo dišu
odnosno uzimaju kiseonik O2 iz vazduha. Na ovaj način se fotosintezom deo dozračene Sunčeve
energije pretvara u hemijsku energiju uskladištenu u stvorenim organskim molekulima biomase.
Znači, energija biljnog porekla predstavlja, procesom fotosinteze akumuliranu svetlosnu energiju
kojom se svetlost transformisala u hemijsku energiju.
U suprotnom procesu, procesu sagorevanja (oksidacije) biljki (biomase) oslobaĎa se
toplotna energija uz istovremeno oslobaĎanje CO2 u istoj količini u kojoj je bio u atmosferi kada
su ga biljke uzimale:
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + toplotna energija
Tako se zatvara ciklus kruţenja ugljen-dioksida, a ne dolazi do povećanja njegove
koncentracije što je slučaj kod sagorevanja gasa i nafte. Kada se biomasa koristi kao gorivo
umesto fosilnih goriva ona ispušta istu količinu CO2 u atmosferu, kao i fosilna goriva.
Biomasa se često naziva i ugljenično neutralno gorivo, ali njeno korišćenje kao izvora
energije ipak moţe doprineti globalnom zagrevanju. To se dogaĎa kada se poremeti ravnoteţa
sečenja i saĎenja drveća, na primer kod krčenja šuma ili urbanizacije zelenih površina. Dokle god
se poštuje princip obnovljivog razvoja (zasadi se onoliko drveća koliko se poseče) ovaj oblik
dobijanja energije nema značajnijeg uticaja na okolinu.
Osnovni aspekt pri korišćenju biomase treba da bude odrţivost korišćenja. Odrţivost
korišćenja pre svega podrazumeva da količina biomase koja se koristi za dobijanje raznih vrsta
energije uvek bude manja ili jednaka prirastu količine biomase. Kada se govori
o poljoprivrednim kulturama, odrţivost korišćenja biomase treba da podrazumeva plansko i
redovno vraćanje odreĎene količine organske materije biomase (oko 30%) u zemlju u vidu
zaoravanja, jer se time odrţava ravnoteţa i postiţe se veća plodnost zemljišta. Potreba vraćanja
minerala u tlo za šumsku biomasu podrazumeva ostavljanje izvesne količine materije (najčeše
lišća ili iglica, ako je reč o četinarskim šumama) u šumskom tlu. TakoĎe, odrţivost korišćenja
47
šumske biomase podrazumeva dugoročna planiranja u pogledu pošumljavanja i eksploatacije
šumske biomase.
3. Korišćenjem biomase umesto fosilnih goriva znatno se smanjuje zagaĊenje okoline
Korišćenjem biomase umesto fosilnih goriva emisija sumpor-dioksida se smanjuje skoro na
nulu (jer biomasa sadrţi neznatne količine sumpora pa u produktima sagorevanja nema sumpor-
dioksida, koji je neizbeţan produkt sagorevanja fosilnih goriva), nema emisije ugljovodonika
(kao nepotpunih produkata sagorevanja), dok se emisija pepela u poreĎenju sa ugljem smanjuje
za 10 puta. Prilikom sagorevanja biomase dobija se tzv. čisti pepeo.
U odnosu na fosilna goriva biomasa zadovoljava kriterijum zatvorenog sistema (bar u
pogledu stvaranja ugljen-dioksida i čvrstih materijalnih produkata sagorevanja). Ulaz u proces
sagorevanja predstavlja biomasa kao gorivo i vazduh (odnosno kiseonik). Izlaz iz njega čine:
dobijena energija, pepeo i gasoviti produkti sagorevanja sa ugljen-dioksidom kao glavnim
predstavnikom. Ţivi biljni svet procesom fotosinteze vezuje taj ugljen-dioksid i uz pomoć
sunčeve energije izgraĎuje svoju masu. Čvrsti materijalni ostatak pepeo, takoĎe, kao Ďubrivo
učestvuje u izgradnji nove biljne mase. Na taj način se vrši recikliranje ugljen-dioksida i čvrstih
produkata u prirodi tako da se pri tome ne remeti postojeća ravnoteţa, a za sistem se kaţe da je
zatvoren.
4. Korišćenje energije biomase doprinosi smanjenju koliĉine otpada i otpadnih voda,
a time i smanjenju zagaĊenja životna sredine
Broj ljudi u svetu stalno raste, a time raste i problem sve veće količine otpada koju treba
zbrinuti. Trenutno velika količina otpada završava u rekama, potocima, morima i okeanima, što
doprinosi negativnom uticaju na ekologiju i ljudsko zdravlje. Veći deo ovog otpada mogao bi se
iskoristiti za proizvodnju energije iz biomase, čime bi se bacanje tog otpada direktno u prirodu
znatno smanjilo.
5. Biomasa je široko i jednostavno dostupan izvor energije
Čak se i najveći protivnici korišćenja biomase kao izvora energije, slaţu da je biomasa
široko i jednostavno dostupan izvor energije. Biomasa postoji u odreĎenom obliku gde god
pogledamo, a time i mogućnost proizvodnje energije gotovo bilo gde. Ovo je svakako jedna od
najvećih prednosti biomase u odnosu na tradicionalna fosilna goriva.
6. Energija akumulirana u biomasi je hemijske prirode pa u njenoj eksploataciji
nema prekida rada, kao što je to sluĉaj sa solarnom ili energijom vetra
Sa ovog aspekta, biomasa ima više karakteristike fosilnih goriva nego obnovljivih izvora,
sa razumljivim razlogom, jer su fosilna goriva u stvari fosilni oblik biomase.
7. Korišćenje energije biomase doprinosi otvaranju novih radnih mesta
8. Korišćenje energije biomase doprinosi većim ulaganjima u poljoprivredu i
ekonomskom razvoju ruralnih (nerazvijenih) sredina
Znači, glavna prednost korišćenja energije biomase u odnosu na korišćenje energije
fosilnih goriva jeste manja emisija štetnih gasova i otpadnih voda. Dodatne su prednosti
sakupljanje i korišćenje otpada i ostataka iz poljoprivrede, šumarstva i drvne industrije, ulaganje
u poljoprivredu i nerazvijena područja i povećanje sigurnosti snabdevanja energijom i smanjenje
uvoza energenata.
Mnogi stručnjaci se slaţu da će s ekonomskog i ekološkog stanovišta biomasa biti dugo
visoko na listi najboljih mogućih izvora energije. Kao što je poznato, fosilna goriva neće trajati
večno i kada svet potroši njihove zalihe biomasa će postati još atraktivniji izvor energije. Zbog
navedenih razloga, biomasa dobija sve više na značaju kao resurs za proizvodnju energije.
48
3.7.2 NEDOSTACI KORIŠĆENJA ENERGIJE BIOMASE
Pored navedenih prednosti korišćenja energije biomase, postoje i odreĎeni nedostaci, kao
što su:
- teškoće sa sakupljanjem, pakovanjem i skladištenjem biomase,
- periodičnost nastanka biomase,
- mala zapreminska masa i toplotna moć biomase svedena na jedinicu zapremine,
- razuĎenost u prostoru,
- nepovoljan oblik i visoka vlaţnost,
- visoke investicije u postrojenja za preradu, pripremu i sagorevanje biomase i sl.
Povećanje korišćenja energije biomase u Republici Srbiji može se postići sledećim
aktivnostima:
- Potrebno je uspostaviti odnos cena energenata koji neće davati prednost uvoznim
energentima i električnoj energiji. Poraţavajuće je da je poslednjih godina u seoskim
domaćinstvima sve značajnija upotreba električnih termoakumulacionih peći, jer cena
električne energije i komfor to omogućavaju.
- Potrebno je zajedničko angaţovanje domaće privrede i istraţivačkih institucija na
demonstracionim projektima, što bi bilo izuzetno značajno za osvajanje pojedinih
tehnologija i znanja iz oblasti korišćenja energije biomase.
- Potrebno je stvoriti uslove da poljoprivredna gazdinstva što više koriste ostatke
sopstvene biomase za proizvodnju energije za sopstvene potrebe, odnosno stimulisati
organizovanje što više energetski nezavisnijih farmi.
- Potrebno je otvoriti pitanje promene strukture poljoprivredne proizvodnje u procesu
prilagoĎavanja uslovima Evropske zajednice, koja se moţe orijentisati i na
proizvodnju brzorastućih biljaka pogodnih za proizvodnju energije.
Jedan od ključnih faktora koji značajno utiče na formiranje cene biomase kao goriva je
koncentracija biomase, tj. da li je biomasa koja se koristi za proizvodnju energije već prikupljena
zbog potreba osnovnog procesa ili je biomasu neophodno prikupljati po terenu samo za
energetske potrebe. Potrebno je naglasiti da postoje mesta gde se ostaci biomase javljaju kao
nusproizvodi osnovnog proizvodnog procesa, što znači da je cena ostataka biomase jednaka nuli,
a da se istovremeno kao energent za dobijanje toplote koristi uvozno tečno gorivo ili čak
električna energija.
Pored parcijalnog interesa svakog potrošača da koristi što jeftinije gorivo, postoji opšti
interes, koji se moţe odnositi na region, drţavu ili globalno. Interes poljoprivrednih regiona ili
regiona bogatih šumom je da se što više razviju delatnosti koje su u direktnoj ili indirektnoj vezi
sa poljoprivredom i šumarstvom, što podrazumeva korišćenje ostataka biomase u energetske
svrhe, kako bi se smanjila potrošnja uvoznih tečnih goriva, električne energije ili uglja. Sličan
interes bi morala da ima i drţava. Time se radno sposobno stanovništvo zadrţava u seoskim
područjima, u slabo naseljenim regionima i industrijski nedovoljno razvijenim regionima.
3.7.3 KORIŠĆENJE ENERGIJE BIOMASE
Energija biomase se moţe koristiti na više načina:
za proizvodnju toplotne energije (sagorevanjem čvrste biomase), koja se koristi za
grejanje, pripremu sanitarne tople vode, spremanje hrane, za razne tehnološke procese
u industriji, za proizvodnju električne energije itd. Najpoznatiji i najrašireniji način je
korišćenje drvene biomase za grejanje u domaćinstvima.
49
za proizvodnju biogoriva:
za proizvodnju čvrstih biogoriva
za proizvodnju tečnih biogoriva (bioetanola, biometanola i biodizela).
Evropska unija predloţila je da se do 2020 godine 10% tradicionalnih
dizelskih i benzinskih goriva zameni sa biogorivima, ali uz strogi respekt
prema faktorima biološke raznolikosti i odrţivog razvoja u ovom polju.
za proizvodnju gasovitih biogoriva i to:
za proizvodnju biogasa. Biogas se proizvodi anaerobnim postupcima iz
biomase. Biogas se proizvodi fermentacijom otpada poput tečnih
gnojiva koja se koriste u poljoprivredi ili iz nekih drugih organskih
otpadaka. Biogas se moţe upotrebiti za grejanje ili za proizvodnju
električne energije. Pročišćeni, biogas se moţe upotrebiti i kao
gasovito biogorivo.
za proizvodnju sintetičkog gasa. Sintetički gas je gas koji nastaje
pirolitičkom razgradnjom biomase i separisane frakcije komunalnog
otpada.
Energija biomase se procesom sagorevanja direktno pretvara u toplotnu energiju, koja se
moţe koristiti za grejanje i spremanje hrane u domaćinstvima, za razne tehnološke operacije u
industriji, za proizvodnju električne energije u malim termoelektranama itd. Energija biomase se
moţe relativno jednostavno pretvoriti u druge povoljnije oblike energije, kao što su tečna goriva
za pogon vozila (bioetanol, biometanol i biodizel) ili gas (biogas, sintetički gas). TakoĎe,
biomasa se moţe koristiti i za proizvodnju hemikalija i bioplastičnih materijala.
Osnovni problem u korišćenju energije biomase jeste velika vlaga biomase i niska
energetska vrednost po jedinici mase. Prerada biomase se vrši sa ciljem dobijanja pogodnijeg
oblika za transport, skladištenje i upotrebu.
Biomasa se moţe konvertovati (pretvoriti) u druge povoljnije oblike energije na više
načina:
termičko-hemijskom konverzijom (sagorevanjem),
mehaničkom konverzijom i
biohemijskom preradom.
3.7.3.1 TERMIĈKO-HEMIJSKA KONVERZIJA BIOMASE
Termičko-hemijska prerada biomase podrazumeva direktno pretvaranje energije biomase u
toplotnu energiju procesom sagorevanja. Sagorevanjem čvrste biomase oslobaĎa se toplotna
energija, koja se moţe koristiti u domaćinstvima za grejanje prostorija, zagrevanje vode i
pripremu hrane, kao i za proizvodnju vodene pare koja se moţe koristi u industrijskim
postrojenjima ili za dobijanje električne energije u malim termoelektranama napravljenim za
korišćenje biomase kao goriva.
U zavisnosti od vrste, vlaţnosti i krupnoće komada biomase razlikuje se više tehnologija
sagorevanja, kao što je: klasična tehnologija sagorevanja na rešeci (nepokretnoj, pokretnoj, kosoj
i stepenastoj), sagorevanje u letu, sagorevanje u mehurastom fluidizovanom sloju i
cirkulacionom fludizovanom sloju. Najčešće korišćeni oblici biomase koja se koristi za
proizvodnju toplotne energije procesom sagorevanja su šumska (drvena) biomasa, otpad i ostaci
iz drvne industrije, slama i razni poljoprivredni otpad, komunalni i industrijski otpad koji je
biorazgradljiv i sl.
U čvrstu biomasu čijim se sagorevanjem oslobaĎa toplotna energija spadaju:
50
- šumska (drvna) biomasa (uključujući i brzorastuću šumu), koju čine drvo i ostaci pri
seči šuma (drvno iverje, granje i sl.);
- biomasa iz drvno-prerađivačke industrije (briketi, peleti i sl.), koju čine
biorazgradljivi ostaci i otpad iz drvno-preraĎivačke industrije koji ne sadrţe opasne
supstance, kao što su ostaci i otpad pri rezanju, brušenju, blanjanju, kao i pri drugim
vrstama obrade drveta (npr. piljevina);
- poljoprivredna biomasa, koju čine ostaci iz ratarske proizvodnje (poput slame,
kukuruzovine, oklaska, stabljika i sl.) kada se odvoji glavni proizvod (pšenica,
kukuruz, suncokret i sl.), zatim ostaci rezidbe u voćarstvu i vinogradarstvu (granje i
sl.), potom ostaci primarne i sekundarne prerade poljoprivrednih proizvoda (koštice,
ljuske i sl.);
- brzorastuća šuma,
- deo selektovanog komunalnog otpada,
- životinjski materijali korišćeni prilikom proizvodnje raznih vlakana i hemikalija itd.
Istorijski gledano, čvrsta biomasa je bila osnovni izvor energije za čovečanstvo, uglavnom
u obliku drveta koje se koristilo za grejanje i spremanje hrane, dok su industrijskom revolucijom
primat preuzela fosilna goriva. I pored toga biomasa danas učestvuje sa 15% u ukupnoj potrošnji
energije, a značajno je da je ovaj udeo znatno veći u zemljama u razvoju nego u
industrijalizovanim zemljama.
Biomasa se moţe iskoristiti na više načina, najpoznatiji i najrašireniji način je korišćenje
drvene i poljoprivredne biomase za proizvodnju toplote za grejanje prostora i spremanje hrane u
domaćinstvima. Pored ostalog moţe se koristiti i za proizvodnju električne energije.
Ogromne količine biomase kao ostataka iz poljoprivredne proizvodnje se ne koriste ili što
je još gore spaljuju se na poljima. U Evropi postoji veći broj proizvoĎača kotlova koji kao gorivo
koriste slamu, kukuruzovinu, sojinu slamu i stabljike suncokreta.
Goriva su materijali koji sagorevanjem oslobaĎaju toplotu. Osim toga, goriva treba da
ispune i sledeće zahteve:
- da proizvode veliku količinu toplote za kratko vreme,
- da se nalaze u prirodi u dovoljnim količinama,
- da u prirodnom stanju ne sadrţi velike količine negorivih materija,
- da mogu lako i jeftino da se dopreme do korisnika,
- da ne menjaju bitno svojstva i da su bezbedna tokom eksploatacije,
- da produkti njihovog sagorevanja nisu opasni po okolinu itd.
Najvaţnije karakteristike goriva su:
- hemijski sastav (gorivo se sastoji od: C, O, H ,N, S, od čega su sagorivi C, H, S),
- toplotna moć,
- temperatura sagorevanja,
- ponašanje goriva u toku procesa sagorevanja itd.
Toplotna moć goriva se definiše kao odnos količine osloboĎene toplote pri potpunom
sagorevanju goriva i mase goriva iz koje je toplota osloboĎena:
H=Q/mg
gde je:
51
H, kJ/kg – toplotna moć goriva,
Q, kJ – količina osloboĎene toplote
mg, kg – masa goriva
U opštem slučaju, gorivo se sastoji od gorivog dela i balasta (negorivog dela). Vlaga,
zajedno sa mineralnim materijama, čini tzv. spoljni balast. Vlaga umanjuje toplotnu moć goriva,
jer se za njeno isparavanje troši deo toplote nastao sagorevanjem goriva. Shodno tome, razlikuje
se gornja i donja toplotna moć goriva.
Korišćenje ĉvrste biomase u kombinaciji sa solarnom energijom za proizvodnju
toplotne energije za grejanje staklenika
Primer korišćenja čvrste biomase u kombinaciji sa solarnom energijom za proizvodnju
toplotne energije za grejanje prostorija, odnosno staklenika, prikazan je na slikama 3.51. i 3.52.
Toplotna energija se dobija pomoću solarnih kolektora, a ako ta količina toplote nije dovoljna
onda se sagorevanjem čvrste otpadne biomase iz poljoprivrede (reznice voća i vinograda), drveta
ili peleta (šumskih ili poljoprivrednih) u kotlu oslobaĎa toplotna energija.
Slika 3.51. Korišćenje biomase (peleta) u kombinaciji sa solarnom energijom za proizvodnju
toplotne energije za grejanje zgrada
Slika 1. Korišćenje biomase u kombinaciji sa solarnom energijom za proizvodnju toplotne energije
za grejanje plastenika
52
Korišćenje biomase u postrojenjima za kogeneraciju
Postoje postrojenja za kogeneraciju na piljevinu, slamu, kukuruzni otpad, ljusku
suncokreta, koštice od voća i drugi bio-otpad, koja sluţe za kombinovanu proizvodnju električne
i toplotne energije iz biomase. Postrojenje koje se sastoji iz visokopritisnog parnog kotla u
kombinaciji sa parnom turbinom i generatorom donosi velike uštede kao i mogućnost prodaje
viška električne energije, slika 3.53.
Slika 3.53. Korišćenje čvrste biomase za istovremenu proizvodnju toplotne i električne energije
(kogeneraciju); 1-skladište goriva, 2-gorivo, 3- transport goriva, 4-loţište sa rešetkom, 5-
pregrejač, 6-otpepeljivanje, 7-zagrejač vazduha/vode, 8-izlaz pepela, 9-sekundarni vazduh, 10-
primarni vazduh, 11-multiciklon, 12-elektrofilter, 13-recirkulacija dimnih gasova, 14-ekshaustor,
15-dimnjak, 16-voda, 17-hemijska priprema vode, 18-rezervoar vode, 19-napojni rezervoar, 20-
rezervoar kondenzata, 21-parna turbina, 22-izmenjivač toplote, 23-kondenzator, 24-tehnološke
operacije
Kao nusprodukt, na izlazu iz parne turbine se pojavljuje topla voda koja moţe biti
korišćena za grejanje ili tehnološke procese, a postoji i mogućnost oduzimanja tehnološke pare
potrebnog pritiska sa same turbine. Vrlo je značajna činjenica da se sa jednim postrojenjem za
kogeneraciju mogu pokriti i potrebe tehnoloških procesa, grejanja i proizvodnje električne
energije i na taj način se praktično potpuno energetski osamostaliti.
3.7.3.2 MEHANIĈKA KONVERZIJA BIOMASE
Biomasa se mehaničkom konverzijom moţe konvertovati (preraditi) u brikete i pelete, koji
su mnogo povoljniji za transport i skladištenje.
Iako postoje različite vrste peleta i briketa, prvenstveno se prilikom korišćenja ovih
pojmova misli na drvene brikete i pelete. I briketi i peleti su po svom sastavu isti, oni su u stvari
mleveno presovano drvo, ali postoji razlika u njihovoj veličini. Reč „briquet“ na engleskom
jeziku znači cigla ili opeka, jer briket moţe da bude u obliku opeke (prizme), ali moţe da bude i
u obliku cilindričnog valjka. Reč „pellet“ na engleskom znači loptica, kuglica ili valjak.
Pelet, slika 3.54., je posebno aktuelan jer se u specijalnim pećima koristi potpuno
automatizovano tako da je korisniku isto da li je kotao na prirodni gas ili na pelet. Za razliku od
drvenih cepanica, iza njega ostaje izuzetno malo pepela.
53
Slika 3.54. Pelet
Pelet je u suštini mleveno i presovano drvo. U njima gotovo da i nema vlage, do oko 10%
maksimalno, koja je potrebna kako bi peleti zadrţali svoj oblik, odnosno da se ne bi raspadali na
piljevinu. Drvna masa koja se koristi za njihovu izradu vrlo često je otpadna masa iz drvne
industrije, iako postoji sve više pogona koji pretvaraju „sveţe“ drvo u pelete, što pokazuje sve
veću financijsku isplatljivost ovog goriva. Drvo koje se koristi za izradu peleta je različito, tako
da neki proizvoĎači koriste hrast, bukvu i jasen, grab, topolu i lipu, drugi koriste jelu i smreku.
Sagorevanjem peleta postiţu visoki pozitivni ekološki efekti - emisija relativno čistih
dimnih gasova bez sumpora i ugljen-dioksida, uz neznatan ostatak pepela (oko 1%).
Trţište peleta je još veoma neravnomerno u EU – dok doţivljava pravi bum u Švedskoj,
Nemačkoj, Austriji i Italiji, u nekim drugim zemljama je još potpuno nepoznati proizvod.
Briket, se dobija sabijanjem (presovanjem pomoću prese) pod visokim pritiskom usitnjenog
(mlevenog) lignocelulzonog materijala u kompaktni oblik, pogodan za dalju manipulaciju i
korišćenje. Briket ima daleko veću zapreminsku masu nego materijal biomase od koga je
napravljen.
Briket za grejanje osim veoma visoke kalorijske vrednosti odlikuje se i odsustvom štetnih
gasova i neznatnim ostatkom pri sagorevanju (pepelom), prilagodljivošću svim vrstama peći,
ekonomskom isplatljivošću i brojnim drugim prednostima, koje briketu sa pravom daju epitet
čistog goriva.
Pelet je u stvari sitniji briket proizveden isključivo od piljevine, visoke kalorične vrednosti.
Briket se moţe praviti od najkvalitetnijeg tvrdog drveta (hrasta, bukve, jasena) i bez lepka. Briket
moţe biti različitog oblika, slika 3.55.
Slika 3.55. Različiti oblici briketa