VELEU ILI TE VELIKA GORICA

Seminarski rad Obnovljivi izvori energijeEnergija mora

Kolegij : Pogonska goriva i maziva Mentor : dr.sc. or e ili Student : Alen Su anj

Velika Gorica, 2011.1

1. Sa etakSva energija na Zemlji potje e od Sunca, a vjetar i Sunce su svima dobro poznati alternativni energenti koji se koriste svugdje u svijetu. No, neke pomorske zemlje imaju ne to to nitko drugi osim njih ne mo e iskoristiti energiju mora. Kori tenje energije morskih valova ovjekova je elja od davnina. Energija plime i oseke definira se kao obnovljiva jer nastaje zbog gravitacijskog me udjelovanja Mjeseca i Sunca sa Zemljom te se kao takva uvijek iznova obnavlja. Iz istog razloga uvijek se mo e to no predvidjeti kada e se plima pojaviti pa se time taj oblik energije jako razlikuje od ve ine ostalih obnovljivih izvora. Naime izmjene plime i oseke mo emo to no predvidjeti godinama unaprijed i na temelju toga to no planirati proizvodnju elektrana na plimu i oseku godinama unaprijed. Ali elektrane na plimu i oseku nikada ne mogu raditi konstantno, nego samo do idu e pojave plime. Budu i da oceani upijaju ogromnu koli inu energije ini se logi nim tra iti na ine kako tu energiju pretvoriti u neki koristan oblik poput elektri ne energije. Iz tog razloga proizlaze brojne tehnologije za kori tenje energije iz oceana. Na ini za pretvorbu energije oceana u elektri nu energiju su: - tehnologije koje koriste mehani ku energiju (energiju plime i oseke, energiju valova) , - tehnologije koje koriste toplinsku energiju (konverzija termalne energije oceana) , - proizvodnja metana pomo u morskih bakterija. Oceani ine 70% povr ine Zemlje i veliki su energetski potencijal. Naime, sna nim valovima zapljuskuju obale, a razlika izme u plime i oseke je ponekad ve a i od 10 metara. Upravo valovi i morske mijene budu nost su hidroenergije.1

1

http://dalje.com/hr-hrvatska/energija-valova-i-plime---novi-izazov-za-buducnost/132070

2

Sadr aj: Stranica 2 4 5 6 9 11 12 14 14 14 15 15

1. Sa etak 2. Uvod 3. Povjesni razvoj 4. Energija plime i oseke. 4.1. Princip rada elektrana na plimu i oseku 4.2. Podjela elektrana na plimu i oseku 5. Energija valova 6. Snaga vala 7. Prednosti i nedostaci kori tenja elektrana na plimu i oseku 8. Prednoste i nedostaci elektrana na valove 9. Zaklju ak 10. Literatura 11. Slike

3

2. UvodU posljednje vrijeme svjedoci smo nevjerojatnih oscilacija na svjetskim tr i tima, od nekretnina, financija do nafte koja je postala goru i problem i uzrok nestabilnosti diljem svijeta. Posljednjih godina po elo se poja ano razmi ljati o alternativnim izvorima energije zbog estih promjena cijene energenata koji su nam potrebni za elektri nu energiju. Preko 70% povr ine Zemlje prekriveno je vodom. Procjenjuje se da oceani dnevno upiju koli inu energije ekvivalentnu 250 milijardi barela nafte, a manje od 1% te energije bi moglo zadovoljiti sve energetske potrebe svijeta. Ocean ima nevjerojatni energetski potencijal koji se premalo koristi, ali napretkom tehnologije postaje mogu e iskoristiti i tu alternativu. Danas nema puno elektrana koje koriste energiju valova za proizvodnju elektri ne energije, ali uz sve br u tehnolo ku ekspanziju ovjeku se omogu ava da se sve vi e posveti alternativnim izvorima energije me u kojima je i energija mora.

4

3. Povijesni razvojVe su u 11. stolje u britanski mlinari po eli koristiti visinsku razliku plime i oseke za pokretanje svojih mlinova vodenica. Prvi poznati patent koji je koristio energiju oceana bilje i se jo 1799. godine i bio je notiran u Parizu od strane Girarda i njegova sina. Godine 1910. Bochaux-Praceique konstruirao je prvu napravu za kori tenje snage valova kako bi njome napajao svoju ku u u Royanu, blizu Bordeaux-a u Francuskoj. Izgleda da je to prvi tip naprave osciliraju eg vodenog stupa. Od 1855. do 1973. ve je postojalo 340 takvih patenata samo u Ujedinjenom Kraljevstvu.2 1973. godine do lo je do naftne krize to je doprinijelo ponovnom razvoju interesa za energiju valova. Velik broj sveu ili nih istra iva a nanovo je istra ilo potencijal eksploatacije oceanskih valova, me u kojima su se istaknuli Stephen Salter sa Sveu ili ta Edinburga, Kjell Budal i Johannes Falnes s Norve kog Tehnolo kog Instituta, Michael E McCormick s Brodarske Akademije Ujedinjenih Naroda, David Evans sa Sveu ili ta u Bristolu, Michael French sa Sveu ili ta Lancastera, John Newman i Chiang C. M . (Slika 1.) U 1980-im godinama, kako se cijena nafte spustila, ulaganja u eksploataciju energije valova drasti no su pala. Kako god, par prvih generacija prototipova je testirano na moru. U posljednje vrijeme, prate i probleme u klimatskim promjenama, postoji rastu i interes za razvojem obnovljivih izvora energije, uklju uju i i energiju valova irom itavog svijeta.

Slika 1. Terrence Duffy, Alva Reynolds, i Fred Starr, tri ovjeka koji su nastojali koristiti gibanje morskih valova za proizvodnju energije putem pokreta ili kompresije zraka.

2

http://hr.wikipedia.org/wiki/Elektrane_na_valove

5

4. Energija plime i osekeEnergija morskih mijena prikladna je za iskori tavanje samo na mjestima gdje postoje velike razlike razine mora u vrijeme plime i oseke, to je uglavnom slu aj na obalama oceana. Primjena energije morskih mijena zabilje ena je jo u srednjem vijeku u brojnim mlinovima na engleskim, francuskim i panjolskim obalama Atlantika. U blizini jednog takvog mlina na u u rijeke La Rance u Francuskoj 1966. godine podignuta je prva i najstarija hidroelektrana na plimu i oseku na svijetu koja je ujedno i najja a na svijetu. Ova elektrana je ujedno i jedina elektrana takve vrste u Europi i trenutno stvara dovoljno energije za zadovoljavanje potrebe 240.000 francuskih doma instava. Kapacitet joj je otprilike petina onog prosje ne nuklearke, odnosno elektrane pogonjene na ugljen. Slika 2. Druga najstarija elektrana je Kislaya Guba koja se nalazi u Rusiji , snaga joj je 1.7 MW, a u pogon je u la 1968. Nakon toga sljede a u nizu po godini pu tanja u pogon je elektrana Jiangxia u Kini ukupne snage 3.2 MW koja je u pogonu od 1980. U Kanadi kod Annapolis Royala je 1984. u pogon pu tena elektrana snage 20 MW. U 2008. je u Sjevernoj Irskoj pu ten u pogon sustav SeaGen snage 1.2 MW na rok od pet godina. U Ju noj Koreji je 2009. u pogon u ao Jindo Udolmok snage 1 MW koji je jo u izgradnji te e pri svom zavr etku 2013. imati ukupnu snagu 90 MW. U rujnu 2010. je u Orkneyu, kotska postavljena jedna turbina snage 1 MW i pu tena u probni pogon. Na jezeru Shiwa u Ju noj Koreji nalazi se trenutno najja a i najve a elektrana na plimu i oseku na svijetu koja je pu tena u rad po etkom 2011. godine i radi sa snagom od 254 MW, za dobivanje te snage koristi se 10 generatora snage 25.4 MW (Slika 3.) to je dovoljno za napajanje obli njeg grada Ansana. Slika 4. La Rance i Sihwa Lake izgledat e poput patuljaka ako se realiziraju dva projekta za koja je kandidirala Rusija. Naime, in enjeri planiraju izgradnju elektrana od 15 GW u zaljevu Mezenski na Bijelom moru i elektrane od 8 GW u zaljevu Tugurski na krajnjem istoku zemlje koje bi bile potpora napajanju obli nje industrije. 3 U osnovi, kori tenje energije plime i oseke sli no je kori tenju energije vodotoka rijeka gdje energija vode pokre e turbinu, koja pokre e generator i tako se proizvodi elektri na energija. Glavni problem svih tih elektrana le i u tome da mogu dnevno raditi samo nekih 10 sati, to nije za vrijeme kad se plima di e, odnosno oseka spu ta. Velika prednost le i u injenici to su plima i oseka potpuno predvidljive pojave, tako da se lako mo e isplanirati vrijeme rada tih elektrana u vrijeme kada su morske mijene aktivne, a recimo to nije slu aj sa svim vrstama energije (primjerice energija vjetra).4 Jo jedna prednost energije valova je da nema potrebe za branom, za razliku od hidro ili elektrana na plimu i oseku, tako da je iskori tavanje iste prakti ki nevidljivo u okoli u, ako ne i blagotvorno za okoli . Glavni problem je nejednaka mogu nost kori tenja energije na razini cijelog svijeta jer nema svugdje isti potencijal. No, neka podru ja imaju ogroman potencijal za kori tenje energije valova ( kotska, Kanada, Australija...). U svijetu nema puno instaliranih elektrana na plimu i oseku. Trenuta no ih je u funkciji sedam.5

http://www.hep.hr/publikacije/vjesnik/219.pdf http://www.izvorienergije.com/energija_oceana.html 5 http://www.obnovljivi.com/energija-oceana/71-iskoristavanje-energije-valova-i-plime-i-oseke-uenergetici?start=14

3

6

Slika 2. Prva hidroelektrana na plimu i oseku Rance

Slika 3. Popre ni presjek brane na jezeru Shiwa

7

Slika 4.Brana na jezeru Shiwa

4.1. Princip rada elektrana na plimu i oseku po etapamaU prvoj etapi pogona zatvara se zapornica (slu i za regulaciju protoka vode na preljevu brane) i voda u bazenu ostaje na odre enoj koti, a razina mora opada. Kada razina mora postane toliko niska da postoji dovoljna razlika kota (odnosno dovoljan pad) pa se tako potencijalna energija vode nagomilane u bazenu pretvara u mehani ku, a ona u elektri nu energiju, sve dok razlika pada omogu ava rad turbine. Turbina se zaustavlja kada se postigne minimalni pad, ali se bazen nakon toga dalje prazni (etapa 3) kroz zapornicu, da bi se u njemu postigla to ni a razina, kako bi se ostvario to ve i pad za etapu pogona u obrnutom smjeru. Kada se izjedna e razine u bazenu i moru po inje crpljenje vode iz bazena u more (etapa 4) da bi se to ni e snizila razina vode u bazenu. Kada se postigne kota koja odgovara ni oj koti mora, obustavlja se rad crpki, pa bazen ostaje na konstantnoj razini (etapa 5) sve dok se ne postigne takav pad kod kojeg e turbina mo i raditi u obrnutom smjeru. Nakon toga stavlja se turbina u pogon koristi i vodu iz mora prema bazenu (etapa 6) sve dok se ne postigne minimalan pad kod kojeg turbina mo e raditi. Zatim se turbina obustavlja i otvara se zapornica da bi se dalje punio akumulacijski bazen (etapa 7).

8

Slika 5. Primjer plimnog generatora

4.2. Podjela elektrana na plimu i osekuEvropski Energetski Centar Marina napravio je sljede u podjelu elektrana na plimu i oseku: 1.Turbine s horinzontalnom osi koje u pravilu koriste isti princip kao i tradicionalne vjetroelektrane koriste i pritom vodu umjesto zraka. Trenutno se radi na najvi e prototipova upravo ove vrste. Primjeri su ve spomenuti, i to su Devon i Kvasalund te prototip SeaGen (Strangford Lough).Slika 6. 2.Turbine s vertikalnom osi. Gorlov spiralna turbina kao prototip postavljana je du Sjeverne Koreje. Slika 7. 3.Osciliraju e naprave. One ne koriste rotiraju e naprave ve dijelove aerotijela koji bivaju gurnuti snagom vode. Tijekom 2003. godine 150 kW osciliraju ih naprava bilo je testirano po obali kotske. Slika 8. 4.Venturijev efekt. Koristi se za ubrzavanje vode kroz turbinu. Mo e se montirati horinzontalno ili vertikalno.6 Slika 9.6

http://hr.wikipedia.org/wiki/Elektrane_na_plimu_i_oseku

9

Slika 6. Turbine s horinzontalnom osi, prototip SeaGen (Strangford Lough).

Slika 7. Turbine s vertikalnom osi.

10

Slika 8. Osciliraju a elektrana Pelamis na obali kotske

Slika 9. Venturijev efekt. Koristi se za ubrzavanje vode kroz turbinu.

11

5. Energija valovaEnergija valova mehani ki je transformirana sun eva energija. Valove uzrokuju vjetrovi koji nastaju kao posljedica razlika u tlaku zraka, a te razlike nastaju zbog razli itog zagrijavanja pojedinih dijelova Zemljine povr ine. Stalni (planetarni) vjetrovi uzrokuju stalnu valovitost na odre enim podru jima i to su mjesta na kojima je mogu e povoljno iskori tavanje njihove energije za pokretanje turbine. Valovi se razlikuju po visini, du ini i brzini, a o tome ovisi i njihova energija. 7 Sve do posljednjih desetlje a dvadesetoga stolje a morski valovi se nisu koristili za dobivanje energije, a danas se u svijetu koristi u nekoliko dr ava, najvi e u Japanu, Norve koj i Velikoj Britaniji. Morski valovi nastaju djelovanjem vjetra, a vjetar djelovanjem Sun evog zra enja. Stalni vjetrovi uzrokuju stalnu valovitost na odre enim podru jima i to su mjesta na kojima je mogu e iskori tavanje njihove energije za pokretanje turbine. vedska, Velika Britanija, kotska i panjolska najavile su izgradnju elektrana na valove za iju izgradnju planiraju izdvojiti desetke milijuna eura Energija valova je oblik kineti ke energije koja postoji u kretanju valova u oceanu, a kretanje valova uzrokuje puhanje vjetrova po povr ini oceana. Ta energija mo e biti iskori tena da pokrene turbine. Postoji dosta mjesta gdje su vjetrovi dovoljno sna ni da proizvedu stalno kretanje valova. Svaki val nosi potencijalnu energiju uzrokovanu deformacijom povr ine i kineti ku energiju koja nastaje zbog gibanja vode. Vremenski razmak izme u dviju amplituda razmjeran je drugom korijenu du ine vala. Energija vala razmjerna je kvadratu visine vala i obrnuto razmjerna vremenskom razmaku izme u dviju amplituda. Energija naglo opada s dubinom pa na dubini od 20 m iznosi samo 20% od energije neposredno ispod povr ine, dok na dubini od 50 m samo oko 2% od energije neposredno ispod povr ine. Ogromne koli ine energije kriju se u energiji valova te joj to daje ogromni energetski potencijal. Energija valova direktno se hvata ispod povr ine valova ili iz raznih fluktuacija (engl. fluctuation - kolebanje i mijenjanje) pritisaka ispod povr ine. Tada ta energija mo e pogoniti turbinu, a najjednostavniji i naj e i na in funkcioniranja je sljede i: val se di e u komori, a rastu e sile vode tjeraju zrak iz komore te tako pokretljivi zrak pogoni turbinu koja onda pokre e generator.8 Naj e i tip takvih generatora su OWC - Oscillating Water Column ( Generator Osciliraju eg Vodenog Stupca). Slika 10. Dobra strana ovih postrojenja je to ih se mo e ugraditi i u postoje e lukobrane Prva komercijalna elektrana ovog tipa, Limpit u kotskoj (500 kW), po ela je s radom 2000. godine. Neke od kori tenih tehnologija: - Postrojenja nalik na pumpe koje pokre u valovi - Postrojenja nalik na splavi povezane s morskim dnom posebnim cijevima koje se ste u i raste u time stvaraju i razliku tlakova potrebnu za pokretanje turbina - Posebno izgra eni brodovi s ugra enim turbinama - Posebne pluta e koje stvaraju elektri nu energiju (do 20 kW) kada ih se deformira nailaskom vala

7 8

http://www.gradimo.hr/clanak/energija-morskih-valova/24067 http://www.izvorienergije.com/energija_oceana.html

12

Slika 10. OWC - Oscillating Water Column ( Generator Osciliraju eg Vodenog Stupca).

6. Snaga valaSnagu vala definiramo po jedinici povr ine okomitu na smjer kretanja vala. Ona mo e iznositi i 10 kW/m2, ali i oko nule. Npr. za podru je sjevernog Atlantika, na otvorenom moru izme u kotske i Islanda, u 50% vremena snaga valova je 3,9 kW/m2 ili ve a. Na spomenutom dijelu Atlantika ljeti je snaga u 50% vremena 10 kW/m ili ve a, a zimi ak 95 kW/m ili ve a. Du ina obala uz oceane svih pet kontinenata (bez polova) iznosi oko 100 milijuna metara, pa ako se ra una s prosje nom srednjom snagom od 10 kW/m, dobiva se prosje na godi nja snaga od 1 TW, odnosno godi nja energija od oko 9000 TWh, to je oko 60% dana nje proizvodnje elektri ne energije.9 Snaga valova procjenjuje se na 2x109 kW, emu odgovara snaga od 10 kW na 1m valjne linije. Ta snaga varira ovisno o zemljopisnom polo aju, od 3 kW/m na Mediteranu do 90 kW/m na Sjevernom Antlatiku.

9

http://www.gradimo.hr/clanak/energija-morskih-valova/24067

13

7. Prednosti i nedostaci kori tenja elektrana na plimu i osekuJedna od najve ih prednosti je jeftina, ista i obnovljiva energija Postoji komercijalna elektrana ovog tipa to dokazuje da je takva proizvodnja energije mogu a i komercijalno isplativa. Nema ispu tanja nikakvih tetnih plinova, nema buke jer je uronjena u more. Nedostaci ovog oblika energije su veliki kapitalni tro kovi jer se redovito radi o ogromnim projektima koji zahva aju velika podru ja. S velikim projektima hidroelektrana mo e do i do naru avanja okoli a, tj. ekosistema jer brane prije e migracijske puteve riba i prirodnu izmjenu tvari ime se uni tavaju stani ta. Drugi problem je ograni en dnevni rad od 10 sati koliko traju izmjene plime i oseke, te je za ekonomi nu proizvodnju elektri ne energije potrebna minimalna visina od 7 m.

8. Prednosti i nedostaci elektrana na valoveDobra strana kori tenja energije valova je potpuna ekolo ka prihvatljivost svih vrsta postrojenja, a lo a strana je prvenstveno nepredvidljivost valova i koli ine tako proizvedene energije. U slu aju povoljnog smje taja elektrane ovakav na in kori tenja ina e destruktivne energije valova definitivno ima potencijala.

14

9.Zaklju akDo lo je vrijeme kada je svijetu potrebno sve vi e i vi e energije jer je njena potro nja znatno porasla. Potrebnu energiju treba iz obnovljivih i ekolo ki prihvatljivih izvora energije koji ne uzrokuju one i enja i ekolo ke probleme poput zaga enja zraka i globalnog zatopljenja. Ljudi su se energijom oceana po eli koristiti u 19. stolje u za pokretanje mlinova, ali sada je toj energiji dana druga uloga da pokre e generatore koji proizvode elektri nu energiju. Uz dana nju modernu tehmnologiju i svakim danom sve br u ekspanziju znanosti koja je ovjeku omogu ila da se okrene prirodi i njenim biserima koji mogu nadomjestiti naftu, ugljen i plin te se smatraju klju nim imbenicima budu eg razvoja Zemlje. Ocean kao jedan od prirodnih bisera ima nevjerojatan energetski potencijal koji se danas premalo koristi. Smanjenjem cijene izgradnje postrojenja i pove anjem korisnosti, energija oceana e postati konkurentna i bit e spremna zauzeti ravnopravno mjesto me u obnovljivim izvorima energije. Ostaje izazov za budu nost i nove generacije da razviju i pobolj aju postoje e tehnologije za kori tenjem energije oceana, a do tad nam ostaje koristi ono to je trenutno najisplativije.

15

10. Literatura1. http://hr.wikipedia.org/wiki/Elektrane_na_valove 2. http://dalje.com/hr-hrvatska/energija-valova-i-plime---novi-izazov-za-buducnost/132070 3. http://www.izvorienergije.com/energija_oceana.html 4. http://www.obnovljivi.com/energija-oceana 5. http://www.ekologija.com.hr/energija-valova/

11. Slike1. http://gizmodo.com/5790430/these-wave-energy-concepts-offer-proof-that-people-havebeen-trying-to-go-green-for-over-a-century 2. http://tai95112.tripod.com/rance.html 3. http://www.wcwf2010.org/english/sub/program/other_program.htm 4. http://blog.dtirenewableenergy.com/ 5. http://www.mywindpowersystem.com/2009/08/alternative-energy-the-facts-tidal-energypart-5/ 6. http://www.dlr.de/blogs/en/desktopdefault.aspx/tabid-6192/10184_read-78/ 7. http://techpulse360.com/2010/02/23/energy-department-signs-off-on-tidal-turbines-aslargest-us-project-kicks-off-in-maine/ 8. http://www.power-technology.com/projects/pelamis/ 9. http://www.copper.org/environment/green/casestudies/water_to_wire.html 10.http://www.icsanmartinoinpensilis.it/LearningObjects/energie%20rinnovabili/energia_dall e_onde.html

16