VÝROBA ELEKTRICKEJ ENERGIE Z OBNOVITEĽNÝCH ZDROJOV ENERGIE. Katedra výkonových elektrotechnických systémov http:

Transkript

1 VÝROBA ELEKTRICKEJ ENERGIE Z OBNOVITEĽNÝCH ZDROJOV ENERGIE 1

2 Obsah prednášky Pojem obnoviteľné zdroje energie Premena obnoviteľných zdrojov energie na elektrickú energiu v geotermálnych elektrárňach, bioelektrárňach, vodných elektrárňach, veterných elektrárňach a slnečných elektrárňach. 2

3 ENERGETICKÉ ZDROJE Poskytujú také formy energie, ktoré sú, alebo môžu byť využiteľné pre potreby ľudstva. Elektrická energia sa získava premenou (niekedy aj viacnásobnou) zo základných a doplnkových zdrojov energie. chemická Biomasa tepelná para mechanická otáčky elektrická 3

4 ENERGETICKÉ ZDROJE Podľa možnosti obnoviteľnosti sa môžu zdroje energie rozdeliť na: obnoviteľné a neobnoviteľné. 4

5 ENERGETICKÉ ZDROJE Obnoviteľné zdroje energie sú také, ktoré sa nezávisle od ich využívania neustále obnovujú a sú prakticky bez zmeny neustále k dispozícii. polohová a kinetická energia vody energia vetra teplo zemského vnútra (geotermálna) slnečné žiarenie 5

6 ENERGETICKÉ ZDROJE biomasa energia prostredia (vzduch, pôda, voda) fotosyntéza príliv a odliv, morské vlny tepelný gradient mora. 6

7 ENERGETICKÉ ZDROJE Neobnoviteľné zdroje energie sú také, ktoré sa ich využívaním postupne nevratne vyčerpávajú. chemická energia fosílnych palív (uhlie, ropa, plyn, rašelina) jadrová (atómová) energia štiepnych palív. 7

8 ENERGETICKÉ ZDROJE Súčasné využívanie obnoviteľných energetických zdrojov na Slovensku V roku 2010 MH SR uverejnilo Národný akčný plán pre energiu z obnoviteľných zdrojov, ktorý deklaruje, že očakávané množstvo energie z obnoviteľných zdrojov zodpovedajúce cieľu 14 % na rok 2020 predstavuje pre Slovensko hodnotu 1572 ktoe ( TJ). 8

9 ZDROJE ELEKTRICKEJ ENERGIE Elektrárne Tepelné Vodné Veterné Slnečné Geotermálne Prietočné Os rotácie Priame Hydrotermálne Akumulačné Horizontálne Fotické Obnovované Prečerpávacie Vertikálne Elektrické Neobnovované Prílivové Generátora Tepelné Cirkulačné Vlnové Synchrónne Nepriame Bioelektrárne Príbojové Asynchrónne 9

10 ZDROJE ELEKTRICKEJ ENERGIE Inštalovaná kapacita a výroba elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov v rokoch 2009 a

11 GEOTERMÁLNE ELEKTRÁRNE Súčasnou technikou vrtných súprav je prístupná asi desaťkilometrová hĺbka pod povrchom. V tejto hĺbke je teplota asi 200 C. Naakumulované teplo je asi J. Ochladením 1 km 2 hornín z teploty 200 C na teplotu 100 C by sa uvoľnila energia, ktorá by postačila na pohon elektrárne s výkonom 30 MW na dobu 30 rokov. Tomuto využitiu stoja v ceste technické, geologické a ekonomické problémy. 11

12 GEOTERMÁLNE ELEKTRÁRNE Na Slovensku je tepelno-energetický potenciál geotermálnych vôd stanovený na 5538 MWt. Majú nižšiu teplotu 45 až 130 C, preto sú vhodné prakticky iba na vykurovanie. Len pri 40% využití tohto potenciálu by bolo možné získať tepelný výkon až 2200 MWt. Geotermálne vody sa využívajú spolu v 36 lokalitách a skutočne využívaný inštalovaný výkon predstavuje asi 131 MWt. 12

13 GEOTERMÁLNE ELEKTRÁRNE Elektrickú energiu je možné vyrobiť premenou geotermálnej energie v elektrárňach: hydrotermálnych, pomocou geotermálne nahriatej spodnej vode alebo pare, obnovované zásoby geotermálnych vôd neobnovované zásoby geotermálnych vôd cirkulačných, prostredníctvom výmenníkov tepla. 13

14 GEOTERMÁLNE ELEKTRÁRNE Geotermálne elektrárne využívajú tepelnú energiu geotermálnej vody, resp. geotermálnej pary na výrobu elektrickej energie. Z ekonomického hľadiska je výroba elektrickej energie najvýhodnejšia pri teplote geotermálneho zdroja vyššej ako 180 C. 14

15 GEOTERMÁLNE ELEKTRÁRNE Základné typy sú tieto: s prehriatou parou, para -> turbogenerátor; para -> parogenerátor -> turbogenerátor s horúcou vodou, voda s vysokým tlakom a teplotou -> expandér-> mokrá para -> turbogenerátor s binárnym cyklom, geotermálna voda s teplotou nad cca 130 C -> čpavok, izobután 15

16 GEOTERMÁLNE ELEKTRÁRNE 16

17 BIOELEKTRÁRNE Výroba elektrickej energie v bioelektrárňach je podobná ako v tepelných elektrárňach pri spaľovaní fosílnych palív, ale s podstatne nižšími hodnotami emisií oxidu uhličitého (CO 2 ). Palivom je biomasa alebo biopalivo. 17

18 BIOELEKTRÁRNE Biomasa je organická hmota zámerne produkovaná na energetické účely. Podľa zdroja vzniku existuje: Fytomasa (napr. obilná a repková slama, konope a pod.) Dendromasa (drevný odpad, rýchlorastúce dreviny) Živočíšna biomasa (exkrementy, biologický odpad) Tuhý spáliteľný odpad (z poľnohospodárstva, domácností) Skládkový plyn (zo skládok, čistiarenských kalov) 18

19 BIOELEKTRÁRNE Biopalivo. Z biomasy sa vyrábajú ušľachtilé palivá pre výrobu elektrickej energie. Sú to najmä: tuhé palivá (Drevné štiepky, pelety a brikety) plynné produkty: Drevoplyn pyrolytickým splyňovaním drevných odpadov Bioplyn anaeróbnou fermentáciou organického odpadu tekuté biopalivá: Bionafta najmä zo semien repky olejnatej Bioalkohol alkoholovým kvasením a destiláciou 19

20 BIOELEKTRÁRNE Premena biomasy na energiu prebieha dvoma základnými spôsobmi: Termochemické premeny: Priame spaľovanie Pyrolýza zohrieva bez prístupu vzduchu a tým sa uvoľňuje zmes horľavých plynov alebo kvapalín Splyňovanie prebieha pri obmedzenom prístupe vzduchu pri procese nedokonalého horenia. 20

21 BIOELEKTRÁRNE Biochemické premeny : Alkoholové kvasenie fermentácia rastlinných látok obsahujúcich škrob, cukor a buničinu. Etanol, metanol Metánové kvasenie anaeróbna fermentácia (kvasenie bez prístupu vzduchu). Bioplyn 21

22 BIOELEKTRÁRNE 22

23 BIOELEKTRÁRNE Schéma elektrárne na bioplyn Vykurovací okruh Generátor Bioplyn Bioplynový motor Výmenník spaliny-voda Výfukové plyny Vratná voda Výmenník voda-voda 23

24 VODNÉ ELEKTRÁRNE Zdrojom energie vodných elektrární je voda pochádzajúca najmä z atmosférických zrážok, dažďa a snehu. Obeh vody v prírode udržuje energia Slnka. Primárny technicky využiteľný hydroenergetický potenciál SR je GW.h za rok. Doteraz je využívaný na cca 53 %. 24

25 VODNÉ ELEKTRÁRNE Vodné elektrárne pracujú na princípe využitia energie vody: potenciálnej, ktorá môže byť vo forme energie polohovej tlakovej kinetickej 25

26 VODNÉ ELEKTRÁRNE Výkon vodných elektrární je daný vzťahom: P = γ Q H = ρ g Q H = = ,81 Q H = 9810 Q H W Kde γ merná tiaž vody kg.m 2.s 2 ρ hustota vody 1000 kg.m 3 g tiažové zrýchlenie 9,81 m.s 2 Q prietočné množstvo vody m 3.s 1 H spád t. j. výškový rozdiel vody pred a za turbínou m 26

27 VODNÉ ELEKTRÁRNE Užitočný výkon na svorkách generátora závisí na účinnosti turbíny a generátora a preto je daný: P g = ρ g Q H η T η G Kde ρ hustota vody 1000 kg.m 3 g tiažové zrýchlenie 9,81 m.s 2 Q prietočné množstvo vody m 3.s 1 H spád t. j. výškový rozdiel vody pred a za turbínou m η T, η G účinnosť turbíny, generátora 27

28 VODNÉ ELEKTRÁRNE Znamená to, že spád a prietočné množstvo vody určujú výkon elektrárne. Čím väčší spád sa využíva, tým menšie sú merné investičné náklady na 1 kw inštalovaného výkonu a tým menšie sú aj prevádzkové náklady na 1 kw.h vyrobenej elektrickej energie. Čo najväčšia koncentrácia spádu je základnou podmienkou hospodárnosti výstavby VE. 28

29 VODNÉ ELEKTRÁRNE Koncentráciu spádu možno docieliť viacerými spôsobmi: pomocou priehrady alebo hate, využitím derivácie (beztlakový obtok kanálom, alebo tlakový privádzač), prečerpávaním vody, využitím prílivu a odlivu. 29

30 VODNÉ ELEKTRÁRNE Vodné turbíny patria k najstarším motorom v histórii ľudstva. Pôvod majú vo vodných kolesách pre pohon mlynov, hámrov a pod. Mali malú účinnosť, pretože nápor vody pôsobil len na niekoľko lopatiek. Základom moderných vodných motorov sa stal v 18. storočí vynález nemeckého fyzika, bratislavského rodáka J. A. Segnera ( ). 30

31 VODNÉ ELEKTRÁRNE Pre stavbu prvých väčších elektrární v 80. rokoch 19. storočia boli potrebné výkonnejšie a účinnejšie turbíny. S nimi prišli Angličan James Bicheno Francis, Američan Lester Pelton a neskoršie (v roku 1918) aj brnenský inžinier Viktor Kaplan. 31

32 VODNÉ ELEKTRÁRNE Francisova turbína Voda je do rozvádzacích lopatiek privedená špirálovou skriňou. Odtiaľ prúdi na pevné lopatky obežného kolesa. Z obežného kolesa vystupuje v axiálnom smere do sacej rúry - savky. Tým, že stĺpec vody vytvára pod obežným kolesom podtlak, dovoľujú Francisove turbíny využiť celý spád medzi hornou a dolnou hladinou. Používa sa regulácia len rozvádzacím kolesom (Čierny Váh, Dobšiná). Najvhodnejšie sú pre málo sa meniaci prietok a spád. 32

33 VODNÉ ELEKTRÁRNE Peltonova turbína Rovnotlaká turbína, používa sa pre veľké spády s menším prietokom vody. Voda sa privádza na koleso tangenciálnou tryskou. V nej sa mení polohová a tlaková energia vody na pohybovú energiu. Pomalá regulácia je možná ihlou v tryske. Pri náhlej poruche sa vychyľuje vodný prúd mimo kolesa, pretože náhle uzatvorenie by spôsobilo silný dynamický ráz. 33

34 VODNÉ ELEKTRÁRNE Kaplanova turbína obežné koleso v tvare lodnej skrutky s natáčanými lopatkami. Natáčaním je možné optimálne nastavovať nátokové uhly vodného prúdu. Nastávajú však problémy s kavitáciou, na spodných stranách lopatiek sa voda vyparuje a bublinky pary a plynov vyvolávajú pri implózii vibrácie a silnú koróziu. V praxi sa turbína reguluje natáčaním obežného kolesa aj lopatiek. Používa sa do 80 m premenlivého spádu. 34

35 VODNÉ ELEKTRÁRNE Prečerpávacia (reverzibilná) Deriazova turbína Je to obdoba Kaplanovej turbíny, pretože má riadené otvorenie rozvádzacieho i obežného kolesa, ale prietok vody je šikmý (diagonálny). Pri prečerpávaní sa turbína a s ňou celý agregát otáča opačným smerom. Rozbeh agregátu do čerpadlovej prevádzky sa robí frekvenčným rozbehom. 35

36 VODNÉ ELEKTRÁRNE Bánkiho turbína Je to priečna dvojnásobne pretekaná horizontálna prietoková turbína. Voda vstupuje do obežného kolesa turbíny tangenciálne a po prvom prietoku lopatkami sa turbíne odovzdá asi 79 % z celkového výkonu a na náprotivnej strane odovzdá voda ďalších 21 % energie. Výrazne okysličuje vodu. Regulácia výkonu je posúvačom (šupátkom) alebo klapkou v prívodnom potrubí. Ložiská turbíny sú umiestnené mimo vody. Obežné koleso má veľký počet dlhých lopatiek (28 36 ks). 36

37 VODNÉ ELEKTRÁRNE Prietoková vrtuľová turbína Sú vhodné pre najnižšie spády na vyrovnávacích prietokových priehradách. Vstavané sú priamo do prietokového kanála v hermetickom puzdre. Okolo prúdiaca voda ich chladí. Odvodené sú od Kaplánovej turbíny a majú natáčacie obežné koleso aj lopatky. U nás sú použité napr. vo vyrovnávacej nádrži Tvrdošín. 37

38 VODNÉ ELEKTRÁRNE Vodné elektrárne delíme podľa: využívaného spádu nízkotlakové spád do 20m strednotlakové spád od 20m do 100m vysokotlakové spády nad 100m pokrývania denného diagramu zaťaženia základné polo špičkové špičkové samostatné pracujú v ostrovnej prevádzke 38

39 VODNÉ ELEKTRÁRNE pracovného režimu akumulačné vodné elektrárne derivačné vodné elektrárne prietokové vodné elektrárne prečerpávacie vodné elektrárne prílivové vodné elektrárne 39

40 VODNÉ ELEKTRÁRNE 40

41 VETERNÉ ELEKTRÁRNE Asi 1% slnečnej energie sa premieňa na kinetickú energiu vzduchu a je možné ju využívať vo veterných turbínach. Od najstarších dôb sa premieňa kinetická energia na mechanickú (veterný mlyn, píla, zavlažovanie). Ďalším zo spôsobov využitia mechanickej energie je jej premena na elektrickú energiu vo veterných elektrárňach. 41

42 VETERNÉ ELEKTRÁRNE Veterné turbíny s vertikálnou osou rotácie sú výhodné pri vysokých a stredných rýchlostiach vetra. Pri prekročení optimálnych rýchlostí vetra rýchlo klesá ich účinnosť a dochádza k poklesu výkonu. Sú nezávislé na smere vetra a lopatky majú nízko pri zemi. 42

43 VETERNÉ ELEKTRÁRNE Veterné turbíny s horizontálnou osou rotácie sú v súčasnej dobe najrozšírenejšie. Najvyššie využitie výkonu je možné dosiahnuť dvoj- a trojlistovými vrtuľami. Gondola, umiestnená na stožiari otáčavo. Na nasmerovanie osi vrtule v smere vetra slúži postranné veterné koleso alebo elektromotor. 43

44 VETERNÉ ELEKTRÁRNE Energia vetra vo forme jej kinetickej energie E = 1 2 m v2 m = ρ V E = 1 2 ρ V v2 44

45 VETERNÉ ELEKTRÁRNE Výkon vzdušného prúdu P = 1 2 ρ S v v2 = 1 2 ρ S v3 S = π D2 = 0,785 D2 4 Teoretický výkon P = 1 2 ρ S v3 = 1 2 ρ 0,785 D2 v 3 = 0,393 ρ D 2 v 3 45

46 VETERNÉ ELEKTRÁRNE Pri výpočte maximálneho výkonu veternej elektrárne sa berie do úvahy len 59,3 % z celkového výkonu (Betz výkonový činiteľ ), t. j. P max = 0,393 ρ D 2 v 3 0,593 P max = 0,233 ρ D 2 v 3 46

47 VETERNÉ ELEKTRÁRNE Výstavba veternej elektrárne je efektívna len v miestach s priemernou ročnou rýchlosťou vetra väčšou než 4 až 5 m.s -1 vo výške 10 m nad zemou. Dolná hranica energetického využitia vetra je 4 m.s -1, optimálna rýchlosť vetra je 12 až 14 m.s

48 VETERNÉ ELEKTRÁRNE 48

49 VETERNÉ ELEKTRÁRNE Potenciál veternej energie na Slovensku Podľa Energetickej politiky SR lokality vhodné na umiestnenie veterných turbín (s rýchlosťou vetra vyššou ako 5 m.s -1 ) predstavujú energetický potenciál 1626 MW, očakávaný výkon je 335 MW a predpokladaná ročná výroba 1992 GWh. 49

50 SLNEČNÉ ELEKTRÁRNE Slnečná energia Slnečná energia dopadá na povrch Zeme vo forme žiarenia 1, W.s % sa odráža do medziplanetárneho priestoru, 19 % sa pohltí v atmosfére a premení na teplo, 47 % pohltí povrch Zeme. V našich zemepisných šírkach dopadne ročne na 1 m 2 energia asi 3 kw.h za deň (125 W.m -2 Žilina, 143 W.m -2 Hurbanovo, 290 W.m -2 Sahara). 50

51 SLNEČNÉ ELEKTRÁRNE Premeny slnečnej energie Priame Nepriame Fotické Elektrické Tepelné Fotolýza Fotokatalýza Fotoelektrokatalýza Fotovoltická Termoelektrická Termoionická Tepelné stroje Priamy rozklad vody Termochemický rozklad vody Hybridný rozklad vody 51

52 SLNEČNÉ ELEKTRÁRNE Premeny slnečnej energie Priame Nepriame Mechanické Energia vetra Energia mora Organické Termochemické Biochemické Energia riek 52

53 SLNEČNÉ ELEKTRÁRNE VYUŽITIE SLNEČNEJ ENERGIE fotovoltickou premenou, kde je účinnosť teoreticky 30 % (bežne okolo 20 %). Pre získanie väčšieho výkonu je nutné sérioparalelne prepojiť viac článkov do tzv. solárneho panelu. 53

54 SLNEČNÉ ELEKTRÁRNE Solárnou tepelnou premenou, lineárne parabolické zrkadlá, olej (400 C) 54

55 SLNEČNÉ ELEKTRÁRNE tanierové parabolické zrkadlá, olej (650 C) 55

56 SLNEČNÉ ELEKTRÁRNE termálne solárne veže, olej (1000 C) 56

57 SLNEČNÉ ELEKTRÁRNE komínová slnečná elektráreň 57

58 ĎAKUJEM ZA POZORNOSŤ 58