Sadržaj DE AN IVANOVI HIDROENERGIJA. Podgorica, 2014.

Transcription

1 Sadržaj DE AN IVANOVI HIDROENERGIJA Podgorica, I

2 HIDROENERGIJA Autor: Prof. dr De an Ivanovi Izdava : Inženjerska komora Crne Gore Za izdava a: Prof. dr Branislav Glavatovi, predsjednik Inženjerske komore Crne Gore Recezent: Prof. dr Milo Mrki, profesor Mašinskog fakulteta Univerziteta Crne Gore Štampa: AP Print Tiraž: 200 primjeraka Odlukom Ure iva kog odbore Inženjerske komore Crne Gore u Podgorici odobreno je izdavanje ove knjige CIP -, ISBN COBISS.CG-ID

3 Sadržaj SADRŽAJ SADRŽAJ...I I PREDGOVOR...V 1. UVOD HIDROENERGIJA VRSTE VODNIH (HIDRAULI KIH) TURBINA FRANSISOVA TURBINA KAPLANOVA TURBINA PELTONOVA TURBINA TURGO TURBINA BANKI TURBINA TESLINA TURBINA KARAKTERISTIKE TURBINA RAZVOJ HIDRAULI NIH TURBINA KLASIFIKACIJA HIDRAULI NIH TURBINA OSNOVNI PARAMETRI HIDRAULI NIH TURBINA TEORIJSKE OSNOVE HIDRAULI NIH TURBINA- OJLEROVA JEDNA INA ZA TURBINE ZAKONI SLI NOSTI I ZNA ICE HIDRAULI NIH TURBINA PRERA UNAVANJE STEPENA KORISTI SA MODELA NA PROTOTIP TURBINE KAVITACIJA U HIDRAULI NIM TURBINAMA KARAKTERISTIKE HIDRAULI NIH TURBINA HIDROELEKTRANE DJELOVI HIDROELEKTRANE PROVODNICI VODE PRITISNI CJEVOVOD VODENI (HIDRAULI KI) UDAR VODOSTAN...44 I

4 Sadržaj PODZEMNA MAŠINSKA ZGRADA BRANA VRSTE BRANA IZGRADNJA BRANE DODATNI ELEMENTI BRANE RUŠENJE I OSMATRANJE BRANE VELIKE HIDROELEKTRANE REVERZIBILNE HIDROELEKTRANE MALE HIDROELEKTRANE DJELOVI MALE HIDROELEKTRANE TIPOVI MALIH HIDROELEKTRANA PARAMETRI MALIH HIDROELEKTRANA INVESTICIONI TROŠKOVI I TROŠKOVI POGONA MHE EKOLOŠKI UTICAJI MALE HIDROELEKTRANE U SVIJETU HIDROELEKTRANE U CRNOJ GORI HIDROELEKTRANE NA PLIMU I OSJEKU KONVENCIONALNE HIDROELEKTRANE NA PLIMU I OSJEKU PRINCIP RADA PO POJEDINIM ETAPAMA KONVENCIONALNIH ELEKTRANA UTICAJ NA ŽIVOTNU SREDINU ENERGETSKI PRORA UNI NEKONVENCIONALNE HIDROELEKTRANE NA PLIMU I OSJEKU ENERGETSKI PRORA UN ELEKTRANE ZASNOVANE NA INTERAKCIJI POTENCIJALNE I KINETI KE ENERGIJE PLIME I OSJEKE HIDROELEKTRANE SA MALIM PADOM...78 II

5 Sadržaj 2.5. ENERGIJA TALASA FIZI KI KONCEPT SNAGA TALASA ENERGIJA TALASNA I TALASNI ENERGETSKI FLUKS SVOJSTVA GRAVITACIONIH TALASA NA POVŠINI DUBOKE, SREDNJE I PLITKE VODE PREMA LINEARNOJ TEORIJI TALASA KARAKTERISTIKE I MOGU NOSTI DUBOKIH VODA IZAZOVI U KORIŠ ENJU ENERGIJE TALASA POTENCIJALI ENERGIJE TALASA SALTEROVA PATKA ELEKTRANE NA TALASE NA MORSKOJ OBALI LJULJAJU I URE AJ ELEKTRANE NA TALASE NA OTVORENOM MORU PLUTA E ARHIMEDOVA TALASNA LJULJAŠKA (ARCHIMEDES WAVE SWING-AWS) MORSKA ZMIJA (PELAMIS) MCCABOVA PUMPA NA TALASE CRIJEVNA PUMPA UŠKAŠ (FLAPPER) URE AJ U OBLIKU ZMAJA DRUGE KONSTRUKCIJE ZA KONVERZIJU ENERGIJE TALASA DOBIJANJE ENERGIJE OSMOZOM KONVERZIJA TOPLOTNE ENERGIJE OKEANA PRINCIP RADA URE AJA...99 III I

6 Sadržaj SISTEM ZATVORENOG CIKLUSA SISTEM OVORENOG CIKLUSA SISTEM HIBRIDNOG CIKLUSA LOKACIJE NA KOPNU, GREBENU I OTVORENOM MORU LOKACIJE OTEC URE AJA NA KOPNU LOKACIJE OTEC URE AJA NA GREBENU LOKACIJE OTEC URE AJA NA OTVORENOM MORU POVEZANE TEHNOLOGIJE POLITI KA PITANJA, TROŠKOVI I EKONOMI NOST TERMODINAMIKA PROMJENA TEMPERATURE OKEANA SA DUBINOM OTVORENI CLAUDE JEV CIKLUS ZATVORENI ANDERSON-OV CIKLUS UTICAJ NA ŽIVOTNU SREDINU TEHNI KI PROBLEMI MIKROBIOLOŠKE NASLAGE NA OKVAŠENIM POVRŠINAMA ZAPTIVANJE KONVERZIJA HLADNI VAZDUH/TOPLA VODA LITERATURA IV II

7 Sadržaj PREDGOVOR U eš e obnovljivih izvora energije u ukupnoj potrošnji svjetske finalne energije je u 2010 godini iznosilo 16,7%, sa trendom stalnog rasta, dok je udio obnovljivih izvora energije u svjetskoj proizvodnji elektri ne energije oko 19%, od ega se 16% elektri ne energije prozvodi u velikim hidroelektranama, a 3% iz novih obnovljivih izvora. Danas je u upotrebi više oblika koriš enja energije vode. Neki oblici su isklju ivo mehani ki, ali je ipak ve ina usmjerena ka pretvaranju energije vode u elektri nu energiju. Me u širim podru jima su: a) vodenice, koje se koriste vjekovima za pogon mlinova i ostalih mašina; b) elektri na energija dobijena iz vode, što se uobi ajeno odnosi na vodene brane ili objekte uz rijeke; c) energija vodenih tokova, koja se dobija iz energije kretanja rijeka, potoka i okeana; d) energija plime i osjeke; e) energija dobijena iz protoka prouzrokovanih plimnim promjenama (mijenama); f) energija talasa; g) osmotska energija, odnosno energija gradijenta saliniteta, pomo u koje se energija dobija iz razlike u koncentraciji soli izme u morske i rije ne vode; h) energija morskih struja; i) energija dobijena iz razlike temperature okeana na razli itim dubinama. U svijetu se oko 20 % elektri ne energije proizvede koriste i energiju vodenih tokova, tj. hidroenergiju snage MW. Hidroenergija uglavnom ne stvara emisiju ugljendioksida CO 2 kao ni ostale štetne materije, za razliku od sagorijevanja fosilnih goriva, i zato nije zna ajni u esnik globalnog zagrijavanja uslijed štetnih emisija CO 2. Energija dobijena iz hidroelektrana je znatno jeftinija od energije dobijene iz fosilnih goriva ili nuklearne energije. Podru ja sa velikim hidropotencijalom privla e indrustriju, me utim i suviše naglašena briga za životnu okolinu može biti prepreka daljem razvoju hidroenergetike. Na lokacijama gdje je velika promjena nivoa mora za vrijeme plime i osjeke može se izgraditi hidroelektrana za proizvodnju elektri ne energije, kao što je ve primijenjeno u Francuskoj, Kanadi i Rusiji. Danas postoji relativno nova tehnologija koja energiju crpi iz strujanja vode koje se stvara pri morskim mijenama. Princip rada je sli an kao i kod vjetrogeneratora. Ova je tehnologija u ranoj fazi razvoja i zahtijeva još istraživanja prije nego što postane zna ajniji u esnik u snabdijevanju elektri nom energijom. Istražena je i mogu nost iskoriš avanja površinskih okeanskih talasa s obzirom da daju znatno više energije od plimnih kretanja. Generatori su I V

8 Sadržaj pri vrš eni na plivaju e platforme, a prolaskom vode kroz šuplje betonske konstrukcije proizvode elektri nu energiju. O ekuje se da bi prototip generatora iz energije talasa mogao proizvesti energiju od KWh godišnje. U svijetu se danas sve eš e koriste male hidroelektrane kao alternativni izvor energije, a posebno u udaljenim podru jima gdje ostali izvori energije nisu dostupni. One se mogu instalirati na malim rijekama ili potocima uz mali ili zanemarljiv uticaj na životnu okolinu a naro ito na pojavu poput migracije riba. Prilikom postavljanja male hidroelektrane potrebno je uzeti u obzir koli inu vode koja je stalno dostupna, sobzirom da nedovoljno kiše može ugroziti rad elektrane, kao i pad, odnosno visinsku razliku zahvata i ispusta vode. Isto tako postoji i potreba za uskla ivanjem sa propisima i zakonima o zaštiti voda. Poslednjih nekoliko godina, mnoge zemlje u svijetu podsti u alternativne izvore energije, tako da su za male hidroelektrane dostupne mnoge povlastice, kao što su dotacije, krediti i porezne olakšice. U ovoj knjizi je tekst o hidroenergiji podijeljen u sedam poglavlja: 1. Vrste hidrauli nih turbina 2. Karakteristike turbina 3. Hidroelektrane 4. Hidroelektrane na plimu i osjeku 5. Energija talasa 6. Dobijanje energije osmozom 7. Konverzija toplitne energije okeana Tekst prati 108 slika, kao i spisak literature sa 146 jedinica. Knjiga može biti od koristi studentima energetskom smjera na tehni kim fakultetima, kao i diplomiranim inženjerima hidroenergetske struke. Blagodarim na korisnim primjedbama i sugestijama od strane italaca ove knjige. U Podgorici, marta VI II Autor Dr De an Ivanovi redovni profesor Mašinskog fakuleta Univerziteta Crna Gora

9 De an Ivanovi 1. UVOD Pod obnovljivom energijom podrazumijeva se energija koja poti e od prirodnih resursa kao što su sunce, kiša, vjetar, plima i osjeka, talasi, geotermalna toplota i prirodno je obnovljiva. Udio tradicionalne biomase u ukupnoj potrošnji svjetske finalne energije je oko 10%, i uglavnom se koristi za grijanje, dok je udio hidroelektrana, tako e u ukupnoj svjetskoj potrošnji energije 3,4%, tako da su ostali onovljivi energetski izvori, kao što su male fosilna energija 2 2- obnovljiva energija 3- nuklearna energija Slika 1.1. Udio obnovljive energije od 16,7% u potrošnji svjetske finalne energije u 2010 god. hidroelektane, savremena biomasa, energija vjetra, sunca, geotermalna energija, biogorivo, a koji ine nove obnovljive izvore energije u 2010 godini, u estvovali sa 3,3% u globalnoj energetskoj potrošnji. Dakle, udio obnovljivih izvora energije, a naro ito novih, u ukupnoj potrošnji svjetske finalne energije je u 2010 godini iznosio 16,7%, slika 1.1., sa trendom stalnog rasta [1]. Zna ajno je da je udio obnovljivih izvora energije u svjetskoj proizvodnji elektri ne energije oko 19%, od ega se 16% elektri ne energije prozvodi u hidroelektranama, a 3% iz novih obnovljivih izvora. Po godišnjoj stopi od 20% raste u svijetu upotreba energije vjetra, tako da su krajem godine svjetski instalirani kapaciteti iznosili oko MW [2], i u širokoj upotrebi su u SAD, Evropi i Aziji. Fotonaponska energija kao energetski izvor ima najbrži rast po evši od godine i ve i je od godišnjeg rasta upotrebe energije vjetra, tako da se od godine rast tog onovljivog izvora udvostru i svake dvije godine. Krajem godine širom svijeta, snaga instaliranih fotonaponskih kapaciteta (PV) je bila oko MW, i najviše ih je u Njema koj i Italiji [3]. U Španiji i SAD su izgra ene solarne termalne elektrane od kojih je najve a u pustinji Mojave snage 354 MW. U Brazilu su razvijeni jedni od najve ih programa u svijetu za iskoriš enje obnovljivih izvora energije, a ti u se proizvodnje etanolskog goriva iz še erne trske, tako da etanol sada u Brazilu obezbe uje oko 18% svih goriva za motornih vozila. I u SAD je etanol široko rasprostranjen kao motorno gorivo [4]. Najve a instalirana geotermalna energija u svijetu snage 750 MW su Gejziri u Kaliforniji. I pored ovih velikih i novih razvojnih projekata za iskoriš enje obnovljivih izvora energije, dosadašnja tehnologija je veoma zastupljena na 1

10 Hidroenergija seoskim podru jima kao i na udaljenim oblastima gdje je energija presudna za ljudski razvoj [5], tako da su do godine mali solarni fotovoltažni (PV) sistemi obezbje ivali struju za nekoliko miliona doma instava, dok mikro hidroelektrane ak i znatno više. Takop e, preko 44 miliona doma instava u svijetu koristi biogas za osvjetljavanje i/ili kuvanje, dok se preko 170 miliona doma instava danas oslanja na koroš enje nove generacije biomase ve e energetske efikasnosti [6]. Zabrinutost zbog sve prisutnijih klimatskih promjena na globalnom nivou, kao i visoke cijene nafte, doveli su do sve uo ljivijeg pove avanja podrške vlada u svijetu za primjenu i komercijalizaciju obnovljivih izvora energije [7], tako da u ovo vrijeme finansijske krize nove vlade sprovode regulativu i politiku koja ovoj grani industrije daju znatno bolje finansijske mogu nosti nego drugim sektorima. Prema projekciji Me unarodne agencije za energiju (International Energy Agency-IEA) iz godine, solarni generatori e proizvesti u narednih 50 godina najviše elektri ne energije u svijetu uz drasti no smanjenje emisije gasova staklene bašte koji itekako ošte uju i zaga uju životnu okolinu [8]. Ina e, obnovljivi izvori energije uklju uju iskoriš avanje prirodnih fenomena kao što su energija sunca, vode, vjetra, plime i osjeke, rast biljaka kao i geotermalna toplota, a to su sve prirodni procesi koji se stalno obnavljaju. Dakle, svi ovi obnovljivi izvori energije direktno poti u od sunca ili od toplote koja se stvara duboko u zemlji. Prema tome definicija obnovljivih izvora energije podrazumijeva proizvodnju elektri ne energije i toplote iz energije sunca, vjetra, vode, okeana, biomase, geotermalnih resursa, kao i proizvodnja biogoriva i vodonika. Resursi obnovljivih energetskih izvora sa zna ajnim mogu nostima energetske efikasnosti postoje gotovo u svim svjetskim geografskim podru jima, što je velika prednost u odnosu na druge energetske izvore koji su uglavnom koncetrisani u malom broju zemalja. Danas, obnovljiva energija zamjenjuje konvencionalna goriva (ugalj, nafta, gas) u proizvodnji elektri ne energije, grijanju vode i zagrijavanju prostorija, u proizvodnji motornih goriva, kao i u energetskom servisiranju ruralnih podru ja. Tako obnovljivi izvori u estvuju sa 19% u ukupnoj proizvodnji elektri ne energije u svijetu. Snaga energije dobijena iz obnovljivih izvora se pove ava u mnogim zemljama širom svijeta, tako da samo snaga vjetra u mnogim zemljama proizvodi znatan dio elekti ne energije. U Danskoj preko 20%, a u Njema koj pokrajini Šlezvig-Holštajn oko 40%. Neke zemlje u svijetu ve inu snage dobijaju iz obnovljivih energetskih izvora, i to u Paragvaju i Islandu 100%, Norveškoj 98%, Brazilu 88%, Austriji i Novom Zelandu 65%, a u Švedskoj 54% [9]. U mnogim zemljama voda se grije koriš enjem solarne energije, pa tako najmnogoljudnija zemla u svijetu Kina proizvodi toplu vodu ovim putem snage 180 GWh godišnje, što ini oko 70% svjetske potrošnje. Preko 50 miliona doma instava u Kini ima danas na svojim ku ama instalirane sisteme za dobijanje tople vode na ovaj na in. Tako e je usvijetu zabilježen i porast 2

11 De an Ivanovi koriš enja biomase za dobijanje tople vode, što je dobro. Tako je na primjer u Švedskoj upotreba biomase za dobijanje tople vode prevazišla u potrebu nafte u te svrhe. Tako e je u porastu i upoteba geotermalne energije za potrebe zagrijavanja. U godini u svijetu je proizvedeno oko 90 milijardi litara biogoriva, što je zamijenilo 65 milijardi litara nafte koliko, odnosno 5% svjetske proizvodnje nafte. Danas u svijetu postoji veoma snažna podrška za promovisanje obnovljivih izvora energije, a naro ito upotreba solarne energije i energije vjetra. ak i pri pove avanju troškova države zahtijevaju od svojih preduze a i industrije da što više koriste obnovljive izvore inergije, tako da se pružaju poreske olakšice za podsticanje tog razvoja i koriš enje svih tih tehnologija. Zato je i prisutan optimizam da e se ulaganja u koriš enje obnovljivih izvora energije dugoro no sa ekonomske ta ke gledanja veoma isplatiti. Svjetski kapaciteti obnovljivih izvora, bez hidroene rg ije Instalisana snaga obnovljivih izvora (GW) Kapaciteti obnovljivih izvora, bez hidroenergije Energija vjetra Geotermalna energija B iom asa Solarna PV energija G o d i n a Slika 1.2. Svjetski kapaciteti obnovljivih izvora, bez hidroenergije Instalisana snaga obnovljivih izvora energija godine u svijetu, bez hidroenergije iznosila je oko MW (320 GW), gdje je energija vjetra u estvovala sa 200 GW ili 62,5%. Snaga kapaciteta koji koriste biomasu u toj godini je iznosila 65 GW ili 20,3%, solarna PV energija 40 GW (12,5%), a geotermalna energija sa 15 GW, odnosno sa 4,7 % ukupnih svjetskih kapaciteta obnovljivih izvora u godini, slika 1.2. Za pet godina, od do godine, instalisana snaga svjetskih kapaciteta obnovljivih izvora bez hidroenergije pove ani su sa 120 GW na 320 GW, ili više od 2,5 puta. Dok se u prve etiri godine, od do kraja godine, instalisana snaga pove avala godišnje od 18% do 25%, to je porast u godini iznosio itavih 60% u odnosu na prethodnu godinu. Sa slike 1.2. se vidi da je zapaženi skok snage u godini imala primjena energije vjetra i solarne PV energije. 3

12 Hidroenergija 2. HIDROENERGIJA Hidroenergija, ili energija vode (hidrauli ka energija), je snaga koja je dobijena iz sile odnosno teku e mase vode, koja se upotrebljava za korisne svrhe. Prije nego što je elektri na energija postala široko dostupna, energija vode se koristila za navodnjavanje i pogon raznih ure aja, kao što su vodenice, mašine u industriji, pilana, lu ke dizalice itd. Koristio se i kompresor, koji bi sabijao vazduh pomo u mlaza vode, pa se energija tako sabijenog vazduha mogla koristiti za pogon mašina udaljenih od vode. Od davnina se koristila energija vode. Tako se u Rimskom carstvu koristila za pogon mlinova koji su proizvodili brašno, za obradu kamena, rezanje drveta, au Indiji su se gradile vodenice. U srednjem vijeku, za izdvajanje metalne rude u starom rudarskom procesu koristila se snaga vodenog talasa ispuštenog iz rezervoara. Kasnije se iz tog procesa razvilo hidrauli no rudarenje koje se koristilo tokom trke za zlatom u Kaliforniji. Postojali su tako e i sistemi hidrauli kih mreža, koji su se sastojali od cijevi u kojima se nalazila voda pod pritiskom, koja bi prenosila energiju od izvora, na primjer pumpe, do krajnih korisnika. Uslijed kretanja vode njena energija se ispoljava kroz djelovanje sile na korito i obale rijeka, i ta pojava je naro ito prisutna u slu aja visokog vodostaja ili poplava. Snaga vode djeluje na korito i obale rijeke, odnose i s njih talog i ostale materijale, što prouzrokuje eroziju i ostale promjene u rije nom toku. Danas je u upotrebi više oblika korištenja energije vode. Neki oblici su isklju ivo mehani ki, ali je ipak ve ina usmjerena ka pretvaranju energije vode u elektri nu energiju. Me u širim podru jima su: a) Vodenice, koje se koriste vjekovima za pogon mlinova i ostalih mašina; b) Elektri na energija dobijena iz vode, što se uobi ajeno odnosi na vodene brane ili objekte uz rijeke (npr. vodenice iji se pogon zasniva na primjeni hidraulike); c) Energija vodenih tokova, koja se dobija iz energije kretanja rijeka, potoka i okeana; d) Vrtložna energija, koja se dobiva iz vrtloga; e) Energija plime i osjeke; f) Energija dobijena iz protoka prouzrokovanih plimnim promjenama (mijenama); g) Energija talasa; h) Osmotska energija, odnosno energija gradijenta saliniteta, pomo u koje se energija dobija iz razlike u koncentraciji soli izme u morske i rije ne vode; i) Energija morskih struja; j) Energija dobijena iz razlike temperature okeana na razli itim dubinama. Danas se u svijetu oko 20 % elektri ne energije proizvede koriste i energiju vodenih tokova, tj. hidroenergiju snage MW. Još uvijek se projektuju velike brane, tako da je trenutno najve a hidroelektrana u svijetu Tri klisure 4

13 De an Ivanovi izgra ena u Kini na najdužoj svjetskoj rijeci Jangce. Izuzev u nekoliko zemalja koje imaju energije vode dovoljno za pokrivanje ve ine potreba za elektri nom energijom, danas hidroelektrane uobi ajeno pokrivaju vršne potrebe za elektri nom energijom zahvaljuju i mogu nosti brzog puštanja u pogon. Isto tako, hidropotencijal se može koristiti kao veliki rezervoar jeftine energije kada se pri suvišnoj proizvodnji hidrogenerator koristi kao pumpa, što je zastupljeno kod reverzibilnih hidroelektrane. Hidroenergija uglavnom ne stvara emisiju ugljendioksida CO 2 kao ni ostale štetne materije, za razliku od sagorijevanja fosilnih goriva, i zato nije zna ajni u esnik globalnog zagrijavanja uslijed štetnih emisija CO 2. Energija dobijena iz hidroelektrana je znatno jeftinija od energije dobijene iz fosilnih goriva ili nuklearne energije. Podru ja sa velikim hidropotencijalom privla e indrustriju, me utim i suviše prenaglašena briga za životnu okolinu može biti prepreka daljem razvoju hidroenergetike. Sposobnost da pokriju sezonsku i dnevnu vršnu potražnju za elektri nom energijom je glavna prednost hidroelektrana. Kada se smanji potražnja za elektri nom energijom, brana jednostavno uva višak vode, tako da po potrebi daje snažniji tok. Tako neke hidroelektrane koriste brane za uvanje viška energije, naro ito tokom no i, te se onda hidrogenerator koristi kao pumpa koja vodu vra a u akumulaciju. U slu aju porasta potražnje elektri na energija može da se opet proizvodi. U praksi se dešava da se koriš enje spremljene vode komplikuje zbog potreba za navodnjavanjem, koje se mogu javiti istovremeno kad i vršna elektri na optere enja. Sve hidroelektrane ne zahtijevaju branu, jer neke kao što su manje hidroelektrane koriste protok samo dijela toka rijeke. Na lokacijama gdje je velika promjena nivoa mora za vrijeme plime i oseke. može da se iskoristi ta energija za proizvodnju elektri ne energije, kao što je ve primijenjeno u Francuskoj od 1966.godine, kao i u Kanadi i Rusiji. U oba smjera se voda propušta kroz plimnu branu, koja pokre e turbine. Ovakvi sistemi efikasno proizvode elektri nu energiju, i to u kratkim ciklusima svakih 6 sati, tj. prilikom svake mijene. Ipak ovi kratki ciklusi ograni avaju primjenu energije plime i oseke, jer iako je ova energija vrlo predvidljiva, ona ne može zadovoljiti brzo mijenjaju e potrebe. Danas postoji relativno nova tehnologija koja energiju crpi iz strujanja vode koje se stvara pri morskim mijenama. Princip rada je sli an kao i kod vjetrogeneratora. Što je ve a gustina vode, generator može proizvesti ve u snagu. Ova je tehnologija u ranoj fazi razvoja i zahtijeva još istraživanja prije nego što postane zna ajniji u esnik u snabdijevanju elektri nom energijom, pa neki prototipovi ve daju obe avaju e rezultate. U Velikoj Britaniji i Škotskoj je istražena mogu nost iskoriš avanja površinskih okeanskih talasa sobzirom da daju znatno više energije od plimnih kretanja. Generatori su pri vrš eni na plivaju e platforme, a prolaskom vode 5

14 Hidroenergija kroz šuplje betonske konstrukcije proizvode elektri nu energiju. Me utim, brojne tehni ke teško e usporile su dalji razvoj. O ekuje se da bi prototip generatora iz energije talasa mogao proizvesti energiju od KWh godišnje. Pretvara energije talasa konstruisan je još 2005.godine i po etni rezultati su nadmašili o ekivanja za vrijeme talasa male energije. Energija talasa se hvata pomo u generatora pogonjenog vazduhom i pretvara se zatim u elektri nu energiju. Državama sa duga kom obalom izloženom ja im talasima, energija talasa omogu ava proizvodnju elektri ne energije koja bi bila dovoljna za potrebe snabdijevanja. U svijetu se danas sve eš e koriste male hidroelektrane kao alternativni izvor energije, a posebno u udaljenim podru jima gdje ostali izvori energije nisu dostupni. Ona se mogu instalirati na malim rijekama ili potocima uz mali ili zanemarljiv uticaj na životnu okolinu a naro ito na pojavu poput migracije riba. Ve ina malih hidroelektrana ne koristi branu niti ve e preusmjeravanje toka rijeke, nego je zasnovana uglavnom na vodenicama. Prilikom postavljanja male hidroelektrane potrebno je uzeti u obzir koli inu vode koja je stalno dostupna, sobzirom da nedovoljno kiše može ugroziti rad elektrane, kao i pad, odnosno visinsku razliku zahvata i ispusta vode, pošto se pri ve em padu može dobiti ve a elektri na snaga. Isto tako postoji i potreba za uskla ivanjem sa propisima i zakonima o zaštiti voda. Poslednjih nekoliko godina, mnoge zemlje u svijetu podsti u alternativne izvore energije, tako da su za male hidroelektrane dostupne mnoge povlastice, kao što su dotacije, krediti i porezne olakšice. Male hidroelektrane, snage ispod 100 kw, omogu avaju mnogim udaljenim i siromašnim sredinama dobijanje elektri ne energije. Isto tako mogu se koristiti i za direktni pogon osovina mašina za mnoge industrijske primjene. Vodeni resursi mogu se mjeriti prema koli ini dostupne snage, odnosno energije u jedinici vremena. U velikim akumulacijama dostupna snaga je uobi ajeno funkcija pada i zapreminskog protoka. U akumulaciji pad vode je razlika izme u nivoa vode u akumulaciji i njenog nivoa pri ispustu. Svaka koli ina vode može obaviti rad jednak njenoj težini pomnoženoj s padom. Koli ina energije E oslobo ena spuštanjem vode mase m za razliku visine H u podru ju djelovanja gravitacije je E = mgh, gdje je g ubrzanje sile teže. Energija raspoloživa pribranskim hidroelektranama je energija koja se može osloboditi padom vode u kontrolisanim uslovima. Tada je, snaga P (W) povezana s masenim protokom vode u jedinici vremena m / t (kg/s), padom H (m) i gravitacionim ubrzanjem g (m/s 2 ), ili ako se gornji izraz podijeli sa t dobi e se: P = E / t = mgh / t. esto se maseni protok vode u jedinici vremena m / t (kg/s), zamjenjuje preko gustine vode ρ (kg/m 3 ) sa zapreminskim protokom Q (m 3 /s) u obliku m / t = ρq, tako da se dobija uobi ajeni izraz za snagu: P = ρqgh. Neki hidroenergetski sistemi, kao što je vodenica, uzimaju energiju iz protoka mase vode bez mijenjanja visine toka, i u tom slu aju 6

15 De an Ivanovi iskoristiva je kineti ka energija vode koja proti e, tako da se snaga glasi 2 P = ρqv / 2, gdje je v (m/s) brzina vode. Ako se stavi da je Q = Av, gdje je A (m 2 ) površina kroz koju voda prolazi, iz prethodnog izraza za snagu P dobija 3 se: P = ρav / 2. Me utim, elektri na energija dobijena iz hidropotencijala ipak nije bez nedostataka. Osim toga što brane predstavljaju ozbiljnu prijetnju populacijama riba i ekosistemima rijeka i potoka, koriš enje energije vode može imati negativan uticaj na protok i kvalitet vode. Niža koli ina kiseonika u vodi može biti prijetnja biljnom i životinjskom svijetu. Ovi nedostaci se mogu riješiti osiguravanjem prolaza kroz koje se ribe mogu nesmetano kretati, a voda se može redovno oboga ivati kiseonikom kako bi se održala koncentracija kiseonika koja bi bila dovoljna za životinjski i biljni svijet. Snaga vode pri njenom padu može da se iskoristi u razli ite svrhe. Od davnina hidroenergija se koristila za navodnjavanje i za rad razli itih mehani kih ure aja kao što su vodenice, pilane, pogone za preradu tekstila itd. Danas se uglavnom pod hidroenergijom podrazumijeva proizvodnja elektri ne enegije u hidroelektanama. Naj eš e je u upotrebi konvecionalna pribranska hidroelektrana prikazana na slici 2.1. Za odre ivanje snage hidroelektrane koristi se izraz: P = ηρgqh (2.1) gdje je: P (W) snaga; η bezdimenzionalni koeficijent efikasnosti turbine; ρ (kg/m 3 ) gustina vode; g = 9,81 m/s 2 gravitaciono ubrzanje; Q (m 3 /s) protok vode i H (m) visinska razlika izme u ulaza i izlaza. Naime, visina H (m) prema slici 2.1. obuhvata visinsko rastojanje izme u nivoa vode ispred brane i nivoa vode u rijeci, umanjeno za igubljenu energiju strujnog toka vode od ulaza do izlaza, pa se naj eš e naziva. Prema izrazu (2.1) snaga hidroelektrane, za slu aj da je koeficijent efikasnosti turbineη =80%, gustina vode ρ = 998 (kg/m 3 ), protok vode Q = 80 (m 3 /s) i neto pad H = 150 (m), iznosi 6 P =ηρ gqh = 0, , = W = 94MW. Akumulacija Brana hidroelektrane Rešetka Mašinska zgrada Dalekovod H Generator Cjevovod QQ Turbina Rijeka Slika 2.1. Popre ni presjek hidroelektrane sa akumulacijom 7

16 Hidroenergija Iz akumulacije voda kroz rešetku ulazi u cjevovod koji prolazi kroz tijelo brane, nakon ega voda u turbini pokre e turbinsko kolo koje je vrsto povezano sa osovinom generatora. I turbina i generator se nalaze u mašinskoj zgradi. Voda iz turbine se sprovodi nizvodno u rije ni tok. Sa generatora se elektri na energija prenosi dalekovodima do potroša a. Izgled Slika 2.2. Mašinska zgrada hidroelektrane mašinske zgrade je prikazan na slici 2.2., gdje su prikazani generatori za proizvodnju elektri ne energije, koji su vrstom vezom preko osovine spojeni sa turbinama koje se nalaze u donjem dijelu mašinske zgrade i koje velikom brzinom okre e voda koja se kroz mlaznice uvodi u turbinu VRSTE VODNIH (HIDRAULI KIH) TURBINA Turbina je rotaciona mašina koja dobija energiju od pokretne vode.prona ene su još u devetnaestom vijeku i bile su u širokoj upotrebi za dobijanje snage u razli itim industrijskim procesima, i to prije upotrebe za proizvodnju elektri ne energije, što im je danas glavna svrha. Turbine se dijele na reakcijske i impulsne. Ta an oblik turbinskih lopatica je funkcija pritiska vode koja snabdijeva turbinu i izabranog tipa rotora kojeg ta Impulsne turbine Reakcijske turbine Pokretne lopatice Nepokretne mlaznice Pokretne lopatice Nepokretne mlaznice Rotor Rotor Stator Obrtne mlaznice Obrtne mlaznice Pritisak vode Rotacija Protisak vode Brzina vode Brzina vode Slika 2.3. Šema impulsne i reakcijske turbine 8

17 De an Ivanovi voda okre e. Kako su reakcijske turbine u vodi, to voda kre u i se preko lopatica turbine mijenja svoj pritisak kao i brzinu predaju i kolu svoju energiju. Ovaj transfer energije sa vode na lopatice turbine opisuje tre i Njutnov zakon akcije i reakcije. Ve ina turbina koje su u upotrebi su reakcijske turbine i uglavnom se koriste za male (H< 30 m) i srednje (H = m) padove. Kod ovih turbina pad pritiska se pojavljuje i kod nepokretnih i kod pokretnih lopatica, slika 2.3. Od rekcijskih turbina Najpoznatije su Fransisova I Kaplanova turbina. Impulsne turbine mijenjaju brzinu vodenog mlaza koji velikom brzinom izlazi iz mlaznica i udara u iskrivljene lopatice radnog kola koje mijenjaju pravac vode, slika 2.3. Promjena koli ine kretanja, odnosno impulsa vodenog mlaza, stvara silu kojom mlaz djeluje na turbinsku lopaticu. Za svo vrijeme dok voda struji preko lopatica pritisak joj je konstantan, pa je rad nastao isklju ivo zbog promjene njene kineti ke energije. Prije udara vode u turbinsku lopaticu, pritisak vode tj. njena potencijalna energija zbog pada H, se u mlaznici pretvorila u kineti ku energiju koja je usmjerena ka lopatici. Kako se od trenutka udara mlaza u lopaticu pritisak vode ne mijenja to onda i nije potrebno ku ište turbine za njen rad kao što je bio slu aj kod reakcijskih turbina. Ovaj transfer energije sa vode na turbinu kod impulsnih turbina opisuje drugi Njutnov zakon, odnosno zakon o promjeni kineti ke energije. Impulsne turbine su naj eš e u upotrebi kod hidroelektrana sa velikim padovima (H > 300 m). Kao impulsne turbine naj eš e su u upotrebi Peltonova, Turgo i Mišel- Bankijeva turbina. Uobi ajeno je da se Kaplanove turbine koriste pri padovima 2< H < 40 m, Fransisove za padove 10 < H < 350 m, Peltonove za 50 < H < 1300 m, Turgo H Q Slika Primjena turbina u zavisnosti od protoka Q i pada H 9

18 Hidroenergija pri 50 < H < 250 m, a Mišel-Bankijeva (Cross flow) turbina.što je i prikazano na slici 2.4. Tako, naprimjer pri protoku vode Q = 5 m 3 /s i padu H = 20 m, snaga hidroelektrane iznosi P = 1 MW, a u njoj se, prema slici 2.4. može ugraditi Fransisova, Kaplanova ili Bankijeva turbina. Ukoliko je pak, protok Q = 2 m 3 /s a pad H = 60 m, snaga hidroelektrane e tako e iznositi P = 1 MW, a od turbina mogu biti Fransisova, Turgo ili Bankijeva. Za slu aj velikih protoka, na primjer Q = 100 m 3 /s i pri padu H = 100 m, kada je snaga P = 100 MW, u hidroelektranu se ugra uje isklju ivo Fransisova turbina. Pri protoku Q = 10 m 3 /s i pri padu H = 1000 m, kada je snaga tako e P = 100 MW, ugra uju se samo Peltonove turbine FRANSISOVA TURBINA Fransisova turbina je reakcijska turbina koju je godine konstruisao Ameri ki pronalaza Džejms Fransis (James B. Francis) i to je danas turbina koja je naj eš e u upotrebi. Prvenstveno se koriste u hidroelektranama za proizvodnju elektri ne energije i to u veoma širokom dijapazonu pada vode H = m i snage P = MW, dok kod mini hidroelektrana one mogu biti znatno manje. Pre nici ulazne cijevi u turbinu, slika 2.5., izme u 1 i 10 m, dok se broj okretaja radnog kola sa lopaticama u minuti kre e od 85 do 1000, ili 1,42 do 16,7 obrtaja /sekunda. Fransisova turbina se gotovo uvijek sa generatorom spaja preko vertikalne osovine, da bi generator bio što udaljeniji od vode i da bi održavanje cijele instalacije bilo što lakše. Voda ulazi horizontalno u cijev spiralnog Slika 2.5. Presjek vertikalne Fransisove turbine oblika koja omotava turbinsko rotiraju e kolo, a izlazi vertikalno naniže kroz centar turbine, slika 2.5. Na slikama 2.6. i 2.7. prikazane su usmjeravaju e lopatice pri minimalnom i maksimalnom protoku vode kroz turbinsko kolo. One usmjeravaju vodu tangencijalno na radno kolo, tako da ovo radijalno strujanje djeluju i na lopatice turbine, u isto vrijeme ih i okre u. Slika 2.6. Usmjeravaju e lopatice pri minimalnom protoku vode Slika 2.7. Usmjeravaju e lopatice pri maksimalnom protoku vode 10

19 De an Ivanovi Voda izlazi kroz centar kola gdje joj je pritisak znatno manji od onog pod kojim Slika 2.8. Kolo Fransisove turbine u hidroelektrani snage 750 MW Slika 2.9. Fransisova turbina u hidroelektrani Tri klisure u Kini je ona ušla u turbinu. Na slici 2.8. je prikazano kolo Fransisove turbine u hidroelektrani snage 750 MW, a na slici 2.9. Fransisova turbina u najve ij Slika Fransisova turbina spojena sa generatorom Slika Fransisova turbina za malu hidroelektranu hidroelektrani u svijetu Tri klisure u Kini. Za male hidroelektrane mogu se primijeniti Fransisove turbine koje izgledaju kao na slici i KAPLANOVA TURBINA Kaplanova turbina je propelernog tipa sa lopaticama koje se mogu podešavati, slika 2.12 i Austrijski profesor Viktor Kaplan razvio je Generator Stator Ulazni kanali Rotor Osovina turbina- generator Turbina a Protok vode Lopatice turbine Slika Presjek Kaplanove turbine i elektri nog generatora Slika Vertikalna Kaplanova turbina 11

20 Hidroenergija godine ovu turbinu kombinuju i automatsko podešavanje propelernih lopatica turbinskog kola sa automatskim podešavanjem ulaznih kanala za vodu sa ciljem postizanja što ve e efikasnosti u širokom obsegu razli itih protoka vode kroz turbinu pri razli itim padovima H. U neku ruku se može re i da je Kaplanova turbina naprednija Fransisova turbina, u kojoj se može ostvariti vrlo efikasna proizvodnja energije i pri malim padova (visinska razlika nivoa vode ispred ulaza u turbinu i nivoa vode nakon izlaza iz turbine, tj. H), a što se nije moglo ostvariti Fransisovom turbinom. Pri padovima H = m izlazna snaga hidroenergetskog posrojenja se kre e u granicama P = MW. Obi no je kod Kaplanove turbine broj okretaja kola u minuti od 80 do 430, dok je pre nik turbinskog kola od 2 do 8 m. Danas su ove turbine u širokoj upotrebi u svijetu za sve one hidroelektrane koje zahtijevaju veoma velike protoke vode i veoma niske padove PELTONOVA TURBINA Peltonova turbina, nazvana po pronalaza u L.A. Peltonu (Lester Allan Pelton) iz godine, pripada grupi impulsnih turbina. Kolo Peltonove turbine dobija energiju okretanja iz impulsa pokretne voda koja velikom brzinom izlazi iz mlaznica u udara u lopatice kola. I prije Peltonove turbine Sectional view of a Pelton turbine installation. Slika Kolo Peltonove turbine Slika Popre ni presjek Peltonove turbine postojale su razli ite impulsne turbine kod kojih je efikasnost u transferu energija bila vrlo mala, imaju i u vidu da je voda nakon udara u lopatice kola i dalje sa njih odlazila sa prili no velikom brzinom odnose i sa sobom neiskoriš enu energiju. Tek je Pelton nakon pravilno definisane geometrije lopatice i pri brzini okretanja kola na 50% od brzine maza vode, uspio da voda sa lopatica kola odlazi sa veoma malim brzinama, ime se skoro sva energija mlaza iskoristila, a samim tim i pove ala efikasnost turbine, slika i Voda iz mlaznice struji u pravcu tangente na obod kola po kojem su postavljene lopatice u obliku kašike, slika Poslije udara vode u lopaticu mijenja se brzina vode jer ona prate i konturu lopatice ulazi u ve i prostor. Pri kontaktu vode i lopatice, voda vrši pritisak na lopaticu, nakon ega se voda kre e u 12

21 De an Ivanovi suprotnom smjeru od po etka udara i usporavaju i napušta lopaticu sa znatno nižom brzinom od one u trenutku udara. To zna i da se koli ina energija mlaza vode u trenutku udara u lopaticu tj. impuls transformiše u energiju obrtanja kola, odnosno u rad turbine. Turbina je zbog maksimalne snage i njene efikasnosti konstrusana tako da je brzina vodenog mlaza iz mlaznice dva puta ve a od obimne brine lopatice kola, te je vrlo mala koli ina, svega nekoliko procenata kineti ke energije mlaza ostala u vodi. Ta injenica omogu ava da se lopatica prazni istim intezitetom kao što se i puni vodom, što je u skaladu sa zakonom o održanju mase, tako da je protok vode kroz turbinu bez prekida i konstantan. Obi no se dvije lopatice sastavljaju i montiraju duž ivica, tako da zajedni ka ivica cijepa mlaz na dvije simetri ne polovine, ime se uravnotežava bo no optere enje na turbinsko kolo i pomaže da se obezbijedi nesmetano i efikasno prenošenje energije, odnosno impulsa sa vodenog mlaza na turbinsko kolo. Gotovo svo prenošenje energije sa mlaza na lopaticu dešava se u trenitku njihovog kontakta, imaju i u vidu da su voda kao i druge te nosti nestišljivi fluidi za koje se smatra da su im gustine konstantne u strujnom toku. Za razliku od ovih hidrauli nih turbina, kod gasnih i parnih turbina, zbog stišljivosti gasa ili pare, odnosno promjenljivosti njihove gustine, transfer energije sa mlaza na lopaticu odvija se iz nekoliko faza. Kakav e biti oblik Peltonove turbine, a koji ne zavisi od njene veli ine, odre uje vrijednost specifi ne brzine n s, koja omogu ava konstrukciju nove turbine podešenu prema konstrukciji postoje e turbine poznatih performansi. Specifi na brzina ns je dimenzionalni parametar koji se daje u obliku: 1 / 2 5 / 4 n s = np H, (2.2) gdje je: n broj obrtaja kola u minuti, P(kW) snaga turbine i H (m) pad vode [10]. Pošto je za Peltonovu turbinu karakteristi no mala vrijednost za specifi nu brzinu ns koja iznosi oko 4, to se na osnovu formule (2.2) vidi da je Peltonova turbina najpogodnija, pri zahtijevanom broju okretaja n i snage P, za one aplikacije sa relativno velikim padom vode H. Ina e, specifi na brzina ns za Fransisove turbine se kre e od 10 do 100, a za Kaplanove preko 100. Potencijalna energija E p mase vode m, koja se nalazi na visini H u odnosu na nivo gdje je smještena turbina je E p = mgh (Nm = J). Ako se posmatra te enje vode od nivoa akumulacije ili nivoa vodozahvata koje je na visini H iznad turbine, i u kojem nema gubitaka energije uslijed trenja te nosti o zidove cijevi (idealan slu aj), onda se na osnovu Bernulijeve jedna ine potencijalna 2 energija E transformiše u kineti ku energiju mlaza E = / 2, gdje je p k mv p 13

22 Hidroenergija po etna brzina mlaza, odnosno brzina vode na izlazu iz mlaznice. Kada se izjedna e ove dvije energije dobija se za po etnu brzina mlaza v p teoretska, odnosno maksimalna vrijednost: v p = 2gH (2.3) U trenutku udara mlaza u lopaticu ona e da se pokrene sa nekom obimnom brzinom u, pa se te nost niz lopaticu kre e vrzinom ( v p u). Pod pretpostavkom da je brzina mlaza v p ve a od brzine lopatice u, i da se voda nakon udara u lopaticu ne vra a natrag, ve da je napušta, tada se na osnovu zakona o održanju mase može smatrati da je masa vode koja ulazi u kolo jednaka masi vode koja izlazi iz kola. Tako e se voda posmatra kao nestišljiva te nost a popre ni presjek mlaza vode od ulaza u lopaticu pa do izlaza iz nje se pretpostavlja da je konstantan. Mlaz napušta lopaticu u smjeru suprotnom od ulaza, pa je njegova izlazna brzina ( v u) = v u, dok je ulazna bila p p + ( v p u). Kako su i ulazna ( v p u) i izlazna brzina ( v p + u) ustvari relativne brzine mlaza u odnosu na obrtno kolo u, to e onda u standardnom referentnom sistemu kona na brzina mlaza na izlazu iz kola biti v = ( v + u) + u = v + u k p p 2 Najidealnija bzina obrtanja kola e prozrokovati potpuni prelaz kineti ke energije mlaza u obrtnu energiju turbine, i u tom slu aju kona na brzina mlaza vode v k na izlazu iz lopatice mora biti jednaka nuli. Ako se, dakle, stavi da je vk = ( v p + u) + u = v p + 2u = 0, slijedi da je u = v p / 2, odnosno da brzina obrtanja kola u treba da iznosi polivinu vrijednosti po etne brzine mlaza v p. Koriste i drugi i tre i Njutnov zakon, tj. zakon promjene koli ine kretanja i zakon akcije i reakcije, sila F (N) kojom mlaz vode djeluje na lopaticu kola je jednaka i suprotna promjeni koli ine kretanja vode mase m (kg) od ulaza u kolo sa brzinom v p, pa do izlaza iz kola brzinom v k, tako da je: [( v + 2u) v ] = ρq( 2v + 2u) = 2 Q( v ) F = m( v v ) = ρ Q ρ u,(2.4) k p p p gdje je ρ (kg/m 3 ) gustina vode, a Q (m 3 /s) zapreminski protok vode. Ako je D (m) pre nik kola turbine, onda voda preko sile F stvara obrtni moment M (Nm): M = FD / 2 = ρ QD( v u). (2.5) p Kada je u = 0 obrtni moment M je maksimalan i iznosi p M = ρqdv p. Za slu aj da je brzina kola u jednaka po etnoj brzini mlaza v p, tada je prema izrazu (2.5) p 14

23 De an Ivanovi Obrtni moment M = 0. U koordinantnom sistemu gdje je na ordinati predstavljen obrtni moment M (Nm), a na apcisi brzina kola u (m/s), promjena M prema izrazu (2.4) je prikazana pravom linijom izme u dvije ta ke (u = 0; M = ρqdv p ) i ( u = v p ; M = 0). Snaga turbine P (Nm/s = J/S = W) može da se izrazi kao: P = Fu = F( D / 2 ) ϖ = Mϖ (2.6) gdje ϖ ugaona brzina kola. Stavljaju i u ovaj izraz vrijednost za silu F iz (2.4), dobija se za snagu sljede a jedna ina: P = 2 ρ Q( v u) u. (2.7) p Da bi se odredila brzina okretanja kola u pri kojoj je snaga turbine maksimalna (P max ) potrebno je na i prvi izvod jedna ine (2.7) i izjedna iti ga sa nulom, tj. dp du = 2ρ Q( v 2u) = 0 u = v / 2. (2.8) / p p Ako se ova na ena vrijednost za u iz (2.8) stavi u (2.7) za P max se dobija: 2 p P = ρqv / 2, (2.9) max ili poslije zamjene v p izrazom (2.3), P max u kona nom obliku glasi: Pmax = ρghq. (2.10) Maksimalna snaga turbine prema (2.10) je jednaka snazi mlaza vode, tako da je u ovom idealnom slu aju koeficijent efikasnosti 100%, s obzirom da je sva energija mlaza prešla u energiju obrtanja osovine koja je vstom vezom povezana sa osovinom rotora koji okre u i se u statoru generatora proizvodi struju. Kada se snaga turbine (2.7) podijeli sa njenom maksimalnom vrijednoš u (2.9) dobija se za turbinsku efikasnost η sljede a zavisnost: 2 / Pmax = 4u( v p u) / v p η = P. (2.11) Snaga P = 0, kada je u = 0 i kada je u = v p, što se i vidi iz izraza (2.11). Kada se obimna brzina kola u pove ava i teži ka v / 2, snaga turbine se tako e pove a i teži P max, a to zna i da se efikasnost η pove ava, u idealnom slu aju bez gubitaka energije usljed trenja, i do 100 %. Sa pove avanjem brzine kola p 15

24 Hidroenergija u preko v p / 2, pa sve do v p snaga turbine opada od P max do P = 0, a tako e opada i efikasnost η opada od 100 % do nule. Za Peltonovu turbinu postoji nekoliko vrsta efikasnosti η, i to: hidrauli na efikasnost, mehani ka, zapreminska, efikasnos kola i opšta efikasnost TURGO TURBINA Turgo turbina je namijenjena za hidroelektrane sa srednjim padom H, slika 2.4., i pripada tipu impulsnih turbina, pri emu koeficijent efikasnosti η dostiže vrijednost do 87 %. Pri laboratoriskom testiranju efikasnost može dosti i i do 90 %. Ova turbina se upotrebljava za padove H od 20 m do 300 m. Gilkes je godine konstruisao turgo turbinu modifikuju i Peltonovo kolo, i za neke primjene pokazuje se da ima prednosti u odnosu na Fransisovu i Peltonovu turbinu. Prednosti se sastoje u tome što je ovo kolo jeftinije napraviti nego Peltonovo kolo, nije potrebno da ima hermeti ki zatvoreno ku ište kao kod Fransisove turbine, ima ve u specifi nu brzinu n s (2.2) tako da može propustiti kroz kolo ve u koli inu vode nego što to može pri istom pre niku omogu iti Peltonovo kolo, što dovodi do redukcije samog generatora a isto tako i do sniženja troškova cijele instalacije. Turgo turbine se koriste kod onih Generator Mlaznica Turgo kolo Slika Turgo turbina i generator Slika Turgo turbina hidroelektrana i pri onim padovima H gdje se Fransisove i Peltonove turbine preklapaju. I pored toga što danas u svijetu postoje mnoge velike Turgo instalacije, one su naro ito popularne kao turbine u malim hidroelektranama gdje niska cijena igra veoma važnu ulogu. Prilikom prolaza kroz lopatice impulsne Turgo turbine voda ne mijenja svoj pritisak i sva njena potecijalna energija prelazi u kineti ku energiju vodenog mlaza na izlazu iz mlaznice. Veoma brzi mlaz se usmjerava tangencijalno na lopatice turbine koje skre u vodeni tok, slika i Uslijed promjene koli ine kretanja mlaza stvara se impuls koji pokre e turbinsko kolo, prenose i energiju na okretanje turbinskog vratila koje je spojeno sa vratilom generatora, 16

25 De an Ivanovi dok voda izlazi iz ku išta turbine sa veoma malom energijom, što pokazuje da je koeficijent efikasnosti η izuzetno visok. Pri istoj snazi pre nik kola Turgo turbine iznosi 50 % pre nika Peltonovog kola, a specifi na brzina n s je dva puta ve a nego kod Peltonove turbine. Koinstrukcija lopatica Turgo turbine je tako izvedena da se kroz kolo može propustiti ve a koli ina vode nego kod Peltonove turbine, jer pri izlasku vode iz jednog lopati nog prostora ne ometa se izlazak vode iz susjednog prostora. Vrijednost specifi ne brzine ns Turgo kola se nalazi izme u specifi ne brzine kola Fransisove i peltonove turbine. Turgo turbine se izgra uje sa jednom ili sa više mlaznica, zavisno od snage turbine. Sa pove avanjem broja mlaznica pove ava se specifi na brzina ns kola s obzirom da je proporcionalna kvadratnom korijenu broja mlaznica. Tako, na primjer, etiri mlaznice daju duplo ve u specifi na brzina ns kola, nego kad je u turbini smještena samo jedna mlaznica, pa prema izrazu (2.2) se može zaklju iti da e pri ve em ns biti ve a i snaga P turbine BANKI TURBINA Ovu impulsnu turbinu su razvili Ma ar Banki (Donát Bánki), Australijanac Mi el (Anthony Michell) Njemac Ozberger ( Fritz Ossberger). Mi el je patentirao ovu turbinu godine, a Ozberger 1933., tako da se kompanija koju je osnovao Ozberger i danas smatra da je lider u proizvodnji ovog tipa turbine. Za razliku od navedenih turbina kod kojih je strujanje vode kroz turbinsko kolo bilo radijalno ili aksijalno, ovdje voda prolazi kroz turbinu popre no, odnosno preko lopatica kola, slika Ulaz vode Kolo Tok vode Lopatice Slika Poprecni presjek Banki turbine Voda ulazi u turbinu sa jedne strane, prelazi preko lopatica, i napušta kolo na suprotnoj strani turbine. Tokom prelaženja vode preko lopatica kola turbini se daje dodatna efikasnost. Banki turbine su sporohodne mašine i uglavnom se smještaju u hidroelektranama sa malim padom H (m)i visokim protokom vode Q (m 3 /s). Banki turbina uglavnom sadrži dvije mlaznice koje su podešene tako da se voda pri izlazu iz njih ne miješa. Niske cijene koštanja ovih turbina su uzrokovane njovom relativno jednostavnom konstrukcijom. Obi no se proizvode kao dvije turbine smještenu na istoj osovini, i oba turbinska kola imaju iste pre nike, ali su im lopatice razli ite širine, zbog razli ite koli ine vode, obi no u odnosu 1:2, koje pri istom pritisku treba da prihvate te iste lopatice. 17

26 Hidroenergija Cilindri no kolo Banki turbine nalazi se na horizontalnom vratilu, a po obodu su radijalno postavljene lopatice kojih ima i do 37, slika 19. i 20. Voda kroz mlaznice ulazi u kolo pod od 45 0 do Slika Sekcija Ozberger turbine Slika Kolo Ozberger turbine Najve a efikasnost je ipak nešto manja nego kod Fransisove, Kaplanove ili Peltonove turbie, me utim prednost Banki turbine se ogleda u tome što ima ravnu krivu efikasnosti za razli ita optere enja. Turbina sa ovako podijeljenim turbinskim kolom i komorom, održava svoju efikasnost sve dok se protok vode i optere enje mijenja od 1/6 pa do maksimuma. Pošto ove turbine imaju nisku cijenu koštanja a dobru regulaciju, one se uglavnom koriste u malim i mikro hidroelektranama snaga manjih od 2000 kw (2 MW) i pri padovima H manjim od 200 m. Bazen Kanal Vodozahvat Cjevovod Q H Mašinska zgrada 18 Slika Mala derivaciona hidroelektrana S obzirom da je nivo vode u rije nim tokovima obi no niži po nekoliko mjeseci, kriva efikasnosti ove turbine daje bolje godišnje perfomanse nego drugi turbinski sistemi, što je naro ito zastupljeno kod malih derivacionih hidroelektrana, slika Zapravo, efikasnost turbina se ogleda u tome dali je elektri na energija proizvedena u periodima kada je u rijekama niži protok vode. Ako su upotrijebljene turbine sa visokom maksimalnom efikasnoš u, ali su loše iskoriš ene s obzirom na mali protok, a to zna i pri djelimi nom optere enju, dobija se onda manji energetski u inak nego da se koriste turbine

27 koje imaju ravnu krivu efikasnosti. De an Ivanovi TESLINA TURBINA Teslina turbina je bez lopatica, koju je pronašao Nikola Tesla godine. Ona umjesto lopatica koristi djelovanje grani nih slojeva izme u fluida (te nosti, gasova i para) i višestrukih vrhova glatkih diskova. Zbog viskoznosti odnosno trenja fluida kao i privla nih sila slojeva diska i fluida, ovi grani ni djelovi fluida djeluju na diskove. Rotor je veoma vst, jer nema lopatica niti bilo kakvih isturenih djelova [11, 12]. Razmak izme u diskova je vrlo mali, najviše 0,4 mm, a površina mora biti veoma glatka, slika Teslina turbina nije doživjela komercijalni uspjeh jer u to vrijeme se nijesu mogli na i takvi materijali za tanke diskove, sobzirom da su se pod optere enjem krivili i deformisali. Tako da se i danas ispituju na ini primjene primjene Tesline turbine, pa od godine postoji i konstrukcija ove turbine za vjetroelektrane. Slika Teslina turbina bez lopatica Slika Teslina turbina Prednost je u koriš enju za male snage, a Teslina želja je bila iskoristiti je za koriš enje geotermalne energije. Ona ima više prednosti u odnosu na tradicionalne turbinane sa lopaticama, a i njena proizvodnja energije nije skupa, što zna i da bi trebala proizvoditi struju po istoj cijeni kao i elektrana na ugalj. Kako nema lopatica, niži su i opreativni troškovi, jer održavanje ne predstavlja problem. Turbina se uglavnom nalazi na magnetnim ležajevima, a prednost je i što se sva njena oprema za proizvodnju elektri ne struje nalazi na nivou tla, pa i to olakšava održavanje. Završni troškovi rada ove turbine e iznositi oko 1,5 ameri ki dolar po kwh ili 2/3 troškova konvencionalnih turbina s lopaticama.teslina turbina radi tako što koristi viskozni tok fluida koji pokre e turbinu i tako stvara energiju. Ona ima više glatkih diskova sa mlaznicama koje šalju fluid prema ivicama diska. Fluidi se povla e po disku slijede i na elo lepljivost odnosno viskoznosti i prijanjanja sloja fluida uz površinu. Kako fluid usporava i predaje snagu diskovima, tako se on kovitla u središtu ispusta. Kako rotor nema lopatica, on je snažan i vrst. Diskovi u turbini moraju biti tijesno raspore eni da mogu koristiti viskozni tok. Teslina turbina ima naro ito tanke diskove iz razloga da se smanje turbulencije na ivicama diska i tako pove a njihova efikasnost. 19

28 Hidroenergija 2.2. KARAKTERISTIKE TURBINA Kako je hidrauli na turbina rotaciona mašina koja hidrauli nu energiju nastalu strujanjem vode pretvara u mehani ki rad, to se u današnje vrijeme one naj eš e koriste za pokretanje generatora u hidroelektranama radi dibijanja elektri ne energije iz vode, kao jednog od najvažnijih obnovljivih izvora energije RAZVOJ HIDRAULI NIH TURBINA Da bi dobili mehani ki rad ljudi od davnina koriste hidroenergiju. Za pogon mlinova nekada su koriš ena obrtna kola koja su pokretali brzi vodotokovi. Franciski istraživa Johan Andreas Zegner (Segner János András) je oko godine konstruisao kolo zasnovano na reakcijskom principu, tkz. Zegnerov to ak, slika 2.22, iji je hidrauli ni stepen korisnosti iznosio 52 % (η = 0,52), a to je vrlo malo u odnosu na današnje stepene korisnosti velikih hidrauli nih turbina koji iznose i do 95 %. Švajcarac Leonard Ojler je godine postavio osnovnu teoriju reakcijskih hidrauli nih (vodnih ) turbina i konstruisao turbinu koja je imala hidrauli ni stepen koristi η = 0,71 (71 %). Po etkom 19. vijeka Francuz Klod Burden (Claude Bourdin) je poboljšao Zegnerovo kolo i nazvao ga turbinom, koja i danas postoji, s tim što se koristi energija vrsti goriva umjesto Slika Zegnerov tocak energije vode. Prvu radijalnu centrifugalnu turbinu sa sprovodnim aparatom i mogu noš u regulacije turbine mijenjanjem protoka Q pri konstantnom neto padu H turbine, konstruisao je godine Francuz Beno Furnejron (Benoît Fourneyron). Amerikanac Semjuel Haud (Samuel Howd ) je godine konstruisao turbinu sli nu današnjoj Fransisovoj turbini i postigla je visok stepen korisnosti, oko 70 %. Novu konstrukciju Haudove turbine sa stepenom korisnosti η = 0,86 (86 %) je godine uradio Amerikanac Džejms Bišeno Fransis (James Bicheno Francis) i otada se sve turbine ovog tipa zovu Fransisove turbine. Konstrukcijom pokretnih sprovodnih usmjerenih lopatica Njemac R. Fink je godine unaprijedio regulisanje Fransisovih turbina, koje su prije toga regulisane na raznorazne na ine što je kvarilo strujno polje na ulazu u turbinu proizvode i velike hidrauli ne gubitke. Turbinu pogodnu za velike padove konstruiše godine Lester Pelton (Lester Pelton) i ove su turbine kasnije nazvane Peltonove turbine. Od kraja 19. vijeka po inje nagli razvoj turbina u pravcu brzohodosti, a to sve zbog primjene turbina za dobijanje elektri ne energije. Naime, bile su potrebne turbine za velike protoke Q sa malim padovima H. Austrijski pronalaza Viktor Kaplan godine

29 De an Ivanovi prijavljuje tri zna ajna patenta: 1. Obrtno kolo sa radijalnim lopaticama pri aksijalnom proticanju vode; 2. Stvaranje velikog bezlopati nog prostora gdje voda skre e za 90 0 sa primjenom Finkovog sprovodnog aparata; 3. Lopatice obrtnog kola se mogu pokretati oko svoje radijalne ose. Po etkom 20. vijeka se razvijaju cijevne turbine sa nepokretnim sprovodnim aparatom i pokretnim lopaticama radnog kola i predstavljaju jednu varijantu Kaplanove turbine. Ovo su najbrzohodije turbine prilago ene ravni arskim rijekama sa velikim protocima Q (m 3 /s) i malim padovima H (m). Oko godine razvijena je dijagonalna turbina, tako e kao varijanta Kaplanove turbine, i mogla je raditi kao pumpa u reverzibilnoj hidroelektrani. Dakle, name e se zaklju ak da ne postoji univerzalni tip turbine koji e iskoristiti sve padove H i protoke Q, ve da je potrebna posebna turbina za svaki konkretni slu aj KLASIFIKACIJA HIDRAULI NIH TURBINA Zavisno od na ina pretvaranja strujne energije vode u mehani ku energiju, turbine se dijele na: 1. Impulsne (akcijske) turbine koje koriste samo kineti ku energiju mlaza, dok pritisna energija ostaje skoro nepromijenjena od ulaza do izlaza iz radnog kola. Ove turbine se esto nazivaju i slobodomlazne turbine. Ovdje spadaju Peltonova turbina, slika 2.15., Turgo, slika i Banki turbina, slika 2.18., koje ustvari predstavljaju modifikaciju Peltonove turbine. U ovu grupu spada i Teslina turbina, 2.23.; 2. Reakcijske turbine kod kojih se u u radnom kolu mijenjaju sve tri energije: pritisna, kineti ka i potencijalna. Ovdje je pritisna energija vode ve a na ulazu nego na izlazu iz ranog kola, pa se zato Slika Dijagonalna turbina nazivaju i pritisnim turbinama. U grupu reakcijskih turbina spadaju Fransisove, slika 2.5., aksijalne Kaplanove, slika 2.12., aksijalne cijevne i dijagonalne turbine, slika Pošto je nemogu e sa jednim tipom turbine ostvariti kvalitetnu razmjenu energije za sve protoke Q i padove H, a mnogobrojna eksperimentalna istraživanja su dovela do tog važnog zaklju ka, iz z itavog skupa raznih raznih turbina razvila su se etiri osnovna tipa: Peltonova, Fransisova, Kaplanova (aksijalna ) i dijagonalna. Od specifi ne brzine obrtanja n s (2.2), zavisi e oblik kola kao i konstrukcija turbine. Da bi se donijela odluka koji e se tip turbine primijeniti koriste se razni dijagrami: 1) Dijagram prema preporukama firme Fojt Hidro; 2) Dijagram prema preporukama firme Silcer; 3) Svodni dijagram po ruskoj nomenklaturi u funkciji (H, P) prema iskustvu velikih firmi. Tip radnog kola zavisi i od parametara elektrane, pa se na primjer pri konstruisanju reverzibilnog agregata 21

30 Hidroenergija mašina projektuje kao pumpa vode i ra una da ona mora da radi i kao turbina. Prema specifi noj brzini obrtanja n s (2.2), izvršena je klasifikacija turbina: 1. Peltonove turbine za pad H = m dijele se na : a) Sporohode gdje je n s = 4 15, i broj mlaznica 1 2, b) Normalne sa n s = 15 25, a broj mlaznica 2 4, c) Brzohode kod kojih je n s = i broj mlaznica 5 6; 2. Fransisove turbine za pad H = m dijele se na: a) Sporohode gdje je n s = , b) Normalne, n s = , c) Brzohode, n s = ; 3. Dijagonalne turbine za pad H = m dijele se na: a) Sporohode gdje je n s = , b) Normalne, n s = , c) Brzohode, n s = ; 4. Kaplanove (aksijalne) turbine za pad H = 3 80 m dijele se na: a) Sporohode gdje je n s = , b) Normalne, n s = , c) Brzohode, n s = Savremene vodne turbine imaju veoma dobru konstrukciju kao i viske vrijednosti koeficijenta efikasnosti η koji dostiže i do 95 %, tako da spadaju u grupu mašina sa najve im stepenom korisnosti i mogu se u pore ivati sa velikim elektri nim motorima i generatorima OSNOVNI PARAMETRI HIDRAULI NIH TURBINA Osnovni parametri hidrauli nih turbina su: 1. Protok turbine Q (m 3 /s) koji predstavlja onu koli inu vode koja protekne kroz turbinu u jednoj sekundi, dok je protok kola turbine Q k manji od Q. 2. Bruto jedini ni strujni rad Y br = gh br (J/kg), gdje je g (m/s 2 ) gravitaciono H br ubrzanje, a (m), koji se ina e naziva bruto pad elektrane, predstavlja razliku ukupne jedini ne energije gornjeg nivoa vode u akumulaciji eg i energije donjeg nivoa vode nizvodno od turbine e d, tj. Ybr = gh br = eg ed. 3. Neto jedini ni strujni rad turbine Y n = gh n (J/kg), gdje H n (m) predstavlja ukupnu razliku jedini nih strujnih energija na ulazu i izlazu iz turbine, dok se u praksi eš e koristi upravo ovo H n kao neto pad turbine. Obi no se neto pad turbine H n ozna ava samo kao H (m). Ra unski neto pad turbine H r = H odre uje se prije projektovanja turbine ito na osnovu protoka vode Q, dimenzija hidroelektrane itd. Bruto pad elektrane H br je ve i od neto pada turbine H n za hidrauli ne gubitke od akumulacije A do ulaza kroz presjek I u turbinu H i hidrauli ne gubitke od izlaza kroz presjek II iz turbine do hg A I 22

31 donje vode B nizvodno H, tj. H = H + H + H. br hg II B hg A I hg II B De an Ivanovi 4. Hidrauli na snaga turbine P h (W) koja predstavlja onu koli inu rada u jedinici vremena koju bi voda razmijenila u turbini kada ne bi bilo energetskih gubiteka, tj. = ρ QY = ρqgh (W), gdje je ρ (kg/m 3 ) gustina vode. Snaga P h turbine P (W) je snaga koja se dobija na spojnici turbine i jednaka je razlici unutrašnje snage turbine P (W) i mehani kog gubitka snage u zaptiva ima i ležištima P mg (W), tako da je P = Pu - P mg =η h u P =η ρ QgH, gdje je η ukupni stepen korisnosti turbine. Postoji još hidrauli ni η h, volumetrijski η Q, unitrašnji η u, mahani ki stepen korisnosti η m, kao i stepen korisnosti generatora ηg i stepen korisnosti agregata η A. 5. Brzina obrtanja kola turbine n (min 1 ) i ugaona frekvencija kola turbine ϖ (s 1 ) su povezane vezom: ϖ = 2π n / 6 0. Ako su velike turbine spojene sa sinhronim generatorom naizmeni ne struje, onda se one moraju okretati stalnom brzinom kako bi frekvencija mreže f (Hz) imala stalnu vrijednost koja u Evropi iznosi 50 Hz, a u Americi 60 Hz. Tako e su frekvencija, brzina obrtanja i broj pari polova generatora p, povezani izrazom: f = pn / 6 0 = pϖ / 2 π. Na osnovu ovih izraza sinhrona bzina obrtanja za frekvenciju u mreži od 50 Hz iznosi n = 3000/ p i ϖ = 100π / p. 6. Kavitacioni koeficijent σ koji definiše kavitaciono stanje turbine, tj. dali se javljaju mjehurovi vodene pare u radnom kolu. Zato se modelskim ispitivanjem utvr uje koja je vrijednost kavitacionog koeficijenta ispod kojeg ne smije da se ide, tj. kolika mu je kriti na vrijednost σ kr, jer e u protivnom do i do kavitacijskih ošte enja TEORIJSKE OSNOVE HIDRAULI NIH TURBINA- OJLEROVA JEDNA INA ZA TURBINE Teorija turbina se zasniva na osnovnim jedna inama mehanike fluida a to su: jedna ina kontinuiteta, jedna ina strujanja viskoznog fluida, jedna ina energije i jedna ina promjene koli ine kretanja ili Navije- Stoksove jedna ine. Ojler je u 18 vijeku izveo jedna inu za turbine, koja je doprinijela boljem razumijevanju procesa razmjene energije u turbinama: Y = gh = u c u c = ϖ ( r c r c ) 3 (2.12), K K 1 u0 2 u3 1 u0 2 u gdje je Y K (J/kg) rad kola, u1 i u2 prenosne ili obimske brzine na ulazu i na izlazu iz kola, cu0 i cu3 apsolutna brzina na ulazu i na izlazu iz kola, r1 i r polupre nici kola na ulazu i na izlazu. Ojlerova jedna ina ima i drugi oblik: 2 23

32 Hidroenergija Y ( ) K = gh K = ϖ Γ0 Γ3 (2.13), koja ukazuje na uslove koji se moraju ispuniti da bi se u turbinskom kolu razmijenila energija. Ti uslovi su da fluid mora ispunjavati strujni prostor, da se kolo mora obrtati i da mora postojati kona na razlika cirkulacije Γ 0 od ulaza u kolo pa do izlaza iz kola Γ 3, tj. Γ 0 Γ ZAKONI SLI NOSTI I ZNA ICE HIDRAULI NIH TURBINA Pošto su modelska ispitivanja turbina mnogo jeftinija od cijene mogu eg promašaja prilikom izrade velike turbine, to se eksperimentalna istraživanja vrše u hidrauli kim laboratorijama na modelima turbina koji su geometrijski sli ni velikim turbinama u hidroelektranama, pa se zato i nazivaju glavno izvo enje ili prototip. Rezultati koji su dobijeni modelskim ispitivanjem se svode na karakteristi ne veli ine, odnosno zna ice, koje zapravo predstavljaju jednozna nu zavisnost osnovnih veli ina utvr enih pomo u zakona sli nosti mehanike fluida. Tako je uslov potpune dinami ke sli nosti dva strujna polja, za model i glavno izvo enje (prototip), jednakost svih brojeva sli nosti: Re m = Re p ; Fr m = Frp ; Eu m = Eu p ; Sh m = Shp, (2.14) gdje su Re, Fr, Eu, Sh Rejnoldsov, Frudov, Ojlerov i Struhalov broj, respektivno, a indeksi m i p se odnose na model i prototip. Me utim, potpuna dinami ka sli nost prikazani sa (2.14) ne mogu biti zadovoljeni, i pkušaj zadovoljenja izraza (2.14) dovodi do suprotnih uslova. Tako na primjer pokušaj zadovoljenja jednakosti Rejnoldsovih brojeva Re = cd / ν i Frudovih brojeva 2 Fr = c / gd, gdje su: c (m/s) brzina,ν (m 2 /s) kinematska viskoznost vode, D (m) dužina i g(m/s 2 ) gravitaciono ubrzanje, e dovesti do sljede ih suprotnosti: a) da bi se ispunio zahtjev Re m = Re p pri istoj kinematskoj viskoznosti vode mora da bude ispunjen uslov da su brzine c m > c p, jer je D1 m < D1 p ; b) dok se za ispunjenje jednakosti Frudovih brojeva Fr = Fr pri istom gravitacionom ubrzanju g m = g p = g mora ispuniti uslov da su brzine c m < c p, pod uslovom da i dalje važi D1 m < D1 p. Nemogu e je i ostvariti potpunu geometrijsku sli nost prototipa i modela, a koju bi zapravo trebalo najlakše ostvariti. Naime, pokušaj da se sve dimenzije prototipa prevedu preko prevodnog koeficijenta geometrijske sli nosti na model, doveš e do toga da se sve dimenzije prototipa mogu da smanje za na primjer 10 puta. Me utim povšinska hrapavost modela ne e mo i da se smanji isto toliko, jer se model ne može obraditi ništa bolje od prototipa. Upravo zbog relativne hrapavosti koja uti e na nejednakost bezdimenzijskih hidrauli nih gubitaka energije u modelu i prototipu, ni jednakost Rejnoldsovih brojeva ne e mo i da se ostvari. Zato i dolazi do nejednakosti hidrauli nih stepena korisnosti m p 24

33 De an Ivanovi modela i prototipa. Iz jednakosti bezdimenzijskih brojeva za model i prototip dobijaju se odre ene veli ine, odnosno zna ice od kojih neke imaju dimenziju, a neke nemaju: 2 1. Iz Eu m = Eu p dobija se zna ica jedini nog protoka Q 11 = Q /( D1 H ), a to je protok uslovno izabrane turbine koja ima pre nik 1 m i radi na padu od 1 m. Ova zna ica ima dimenziju (m 0, 5 /s), ali se u praksi esto uzima jedinica protoka (m 3 /s); 2. Iz jednakosti Struhaljevih brojeva Sh m = Shp dobija se zna ica jedini na frekvencija obrtanja kola f11 = D1 f k / Y, i to je frekvencija obrtanja turbinskog kola koji ima pre nik od 1 m i jedini ni strujni rad od Y = 1 (J/kg). 3. Umjesto f11 u praksi se eš e koristi druga dimenzijska zna ica pod imenom jedini ni broj obrtaja n11 = D1n k / H. Ova zna ica je brojno jednaka broju obrtaja uslovno izabrane turbine pre nika 1 m koja radi na padu od 1 m, i za dimenziju se esto uzima (min 1 ) Zna ica jedini na snaga turbine P11 = Pu /( D1 H H ) dobija se iz izraza za unutrašnju snagu turbine i jedini nog protoka turbine, a brojno je jednaka snazi na vratilu turbine pre nika 1 m koja radi na padu od 1 m Do zna ice jedini nog momenta M 11 = M /( D1 H ) dolazi se iz izraza za jedini nu frekvenciju i izraza za obrtni moment na vratilu turbine ( M = P u / ϖ ). Ova zna ica je brojno jednaka momentu na vratilu uslovno izabrane turbine koja ima pre nik 1 m i radi na padu od 1 m. Zadnjih godina su uvedene druga ije zna ice koje direktno zavise od Struhaljevog Sh i Ojlerovog broja Eu, i one su bezdimenzijski brojevi: 1) Zna ica jedini nog strujnog rada kola ψ = 2 η ψ ; 2) Zna ica jedini nog 2 K E u strujnog rada turbine ψ = 2Y / u1 ; 3) Zna ica protoka kola turbine ϕ = k ηqϕ ; ) Zna ica protoka turbine ϕ = Q ηq /( πd u 1 ) ; 5) Zna ica snage kola turbine λ = ϕ ψ = ϕψη η = λη η ; 6) Zna ica snage turbine λ. k k k Q h Q h Pokazalo se da zna ice n 11, Q11 i ψ svaka posebno ipak ne mogu definisati geometrijski oblik turbine. Me utim, me usobni odnos zna icaϕ i ψ tj. n 11 i Q 11 ili n 11 i P11 definisani za ta no odre enu pogonsku ta ku turbine mogu da odrede tip turbine. Zapravo, odnos ovih funkcionalnih zna ica uklju uju sve bitne parametre turbine kao što su protok, pad, snagu i brzinu obrtaja, tako da predstavlja opšti pokazatelj koji ozna ava tip turbine. Tako je 5 / 4 specifi na brzina obrtanja, odnosno brzohodost n n P / H brojno jednaka brzini obrtanja n uslovno izabrane turbine koja pri padu od 1 m daje h sp = u 25

34 Hidroenergija snagu od P u = 1 (kw). U praksi se esto koristi za specifi ni broj obrtaja izraz 3 / 4 n sq = n Q / H, dok se umjesto sq f sq = f Q 3 / 4 Q /Y n uzima zna ica specifi na frekvencija, koja je brojno jednaka frekvenciji obrtanja kola uslovno izabrane turbine koja radi sa jedina nim strujnim radom od 1 (J/kg) i protoku od 1 (m 3 /s). Kombinuju i navedene izraze dolazi se do sljede e zavisnosti: 1 / 2 3 / 4 * n 332, 6 f = 157, 8 ϕ / ψ = 157, 8 σ, (2.15) sq = sq * gdje se σ naziva zna ica brzohodosti i ima isti zna aj kao i specifi ni brojevi obrtaja nsp i nsq pri odre ivanju tipa turbine. Ako se eliminiše broj obrtaja iz zna ica napora i protoka, uz zadržavanje linearne zavisnosti od pre nika turbine 0, 2 5 0, 5 0, 7 5 0, 7 5 0, 5 D 1 dolazi se do zna ice pre nika δ = ψ / ϕ = πy D1 /(2 Q ). Tip turbine se može u potpunosti definisati na osnovu zna ica brzohodosti i pre nika PRERA UNAVANJE STEPENA KORISTI SA MODELA NA PROTOTIP TURBINE Hidrauli ni stepen korisnosti η može se prikazati u obliku funkcionalne zavisnosti: η = f ( Re, Fr, Eu, S h, δ / D1, s / D1 ), (2.16) gdje jeδ apsolutna hrapavost proto nih površina, s veli ina procjepa, D1 pre nik kola turbine, a R e, Fr, Eu, Sh Rejnoldsov, Frudov, Ojlerov i Struhalov broj, respektivno. Pošto je za apsolutnu sli nost modela i prototipa potrebno ostvariti da izraz (2.16) bude isti za model i prototip, a to je nemogu e, kako je ranije ve navedeno, dolazi se, sobzirom da je stepen korisnosti prototipa ηhp ve i od stepena korisnosti modela η hm, do sljede eg zapažanja: η hp > η hm η hp = η hm + ηh, (2.17) gdje je ηh popravka hidrauli nog stepena korisnosti u odnosu na model, ili efekt razmjere [13] KAVITACIJA U HIDRAULI NIM TURBINAMA Kavitacija je dinami ki proces u struji te nost pri kojem dolazi do nastajanja gasno-parnih mjehurova kao i njihovo naglo nestajanje (mjehurovi su implodirali). Implozija (nestajanje) mjehurova traje vrlo kratko, vremenski interval je oko 1 µ s (10 6 s), pri emu lokalni pritisak raste i do bara (10 9 Pa). U hidrauli nim turbina kavitacija: 1) Mijenja strukturu strujanja; 2) Pogoršava stepen korisnosti i snagu turbine, jer se sa smanjenjem stepena 26

35 De an Ivanovi korisnosti snižava snaga turbine, protok te nosti i pad, pošto se gubici u kolu pove avaju; 3) Stvara karakteristi an šum, tj. kavitacionu buku; 4) Prouzrokuje kavitacione implozije koje uništavaju zidove proto nog trakta, i to je kavitaciona erozija; 5) Stvara kavitacione udare koji mogu izazvati vibracije ak i itave hidroelektrane. Na slici prikazana su Slika Kavitacija na Fransisovoj turbini ošte enja usled kavitacije na Fransisovoj turbini. Kavitacijski koeficijent turbine σ T odre uje se iz slede eg izraza: 2 2 c3 m w3 σ T =ηsif K p, (2.18) min 2Y 2Y 2 gdje su: K p = 1 ( wa / w3) - koeficijent pritiska u ta ki A na lopatici kola min w A (m/s) relativna brzina u ta ki A kada pritisak ima minimalnu vrijednost; gdje je najniži pritisak; w 3 (m/s) relativna brzina na izlazu iz kola; meridijanska komponenta apsolutne brzine na izlazu iz kola; ηsif c 3 m (m/s) - stepen korisnosti sifona; Y (J/kg= m 2 /s 2 ) jedini ni strujni rad. U upotrebi je koeficijent kavitacijske rezerve postrojenja σ koji zavisi od položaja turbine u odnosu na donju vodu i koji se esto obilježava sa Th i naziva Tomin broj po Diteru Tomi koji je izveo izraz za σ : 2 p p c b d II σ = T h = gh s + / Y 2, (2.19) ρ ρ pri emu su: 3991, 1 18, 6 t+ 233, 8 p = 133, 3 e - pritisak zasi enja vodene pare, a t ( 0 C) d temperatura vode; p b barometarski pritisak u P a ; H s - usisna visina odnosno dubina potapanja u (m); cii - brzina vode na izlazu iz sifona (m/s); Y strujni rad (J/kg= m 2 /s 2 ). Kada je σ > σ T onda nema kavitacije, za σ = σ T imamo po etnu kavitaciju, dok je za σ < kavitacija intenzivna. σ T KARAKTERISTIKE HIDRAULI NIH TURBINA Karakteristike vodnih turbina prikazuju analiti ku ili grafi ku zavisnost geometrijskih, energetskih i kavitacijskih parametara za odre eni tip turbine. Grafi ka zavisnost navedenih parametara je eš e u upotrebi. Odre uju se na modelu a zatim prera unavaju na prototip. Ako su turbine jedina ne regulacije onda je regulacija protoka mogu a samo na jedan na in i to preko koplja u 27

36 Hidroenergija mlaznici Peltove turbine ili preko lopatica sprovodnog aparata kod Fransisove turbine. Ukoliko su turbine dvojne regulacije onda se regulacija protoka izvodi na dva na ina i to zakretanjem lopatica sprovodnog aparata i istovremenim zakretanjem lopatica obrtnog kola kod Kaplanovih, cijevnih i dijagonalnih turbina koji su povezani kombinatorskom vezom α SA = f ( ϕ, H ), gdje je α SA otvor sprovodnog aparata, ϕ ugaoni položaj lopatica kola, a H neto pad za najviši stepen korisnosti u toj pogonskoj ta ki. Samo promjenom protoka se može ostvariti zna ajnija promjena snage turbine, i tada treba uzeti u obzir da se promjenom protoka mijenjaju i energetski i kavitacioni parametri turbina. Ina e, protok Q (m 3 /s) kroz turbinu zavisi od geometrijskih razmjera turbine, oblika strujnog toka u proto nom dijelu turbine, brzine obrtanja kola, jedini nog strujnog rada, kao i od koeficijenata korisnosti η i η. Koriste se slede i na ini regulisanja protoka: h Q a) Zakretanjem lopatica sprovodnog aparata kod Fransisovih i propelernih turbina; b) Zakretanjem lopatica radnog kola kao što je slu aj kod Kapelernih turbina; c) Istovremenim zakretanjem lopatica sprovodnog aparata i radnog kola. Regulisanja pod a) i b) nazivaju se jedina nom regulacijom, a na in regulisanja pod c) dvojnom regulacijom. Kod manjih turbina se za regulisanje protoka koriste drugi na ini manje ekonomi nosti. Opšte zavisnosti karakteristika vodnih turbina se mogu dati u obliku: P = f D, a, ϕ, Q, ), H = f D, a, ϕ, Q, ) ( 1 0 n ( D1, a0, ϕ, Q, n ( 1 0 n f ( D1, a0, ϕ, Q, n η = f ), σ = ), (2.20) koji se može pojednostaviti, tako što e se za pojedine veli ine smatrati da su nezavisne promjenljive, dok izme u ostalih promjenljivih postoji funkcionalna zavisnost. Ovakve zavisnosti nazivaju se jedina ne karakteristike, tako da se u zavisnosti od veli ine koja se nanosi na apcisu mogu definisati sljede e linijske karakteristike: a) karakteristika brzine obrtaja b) karakteristika protoka c) karakteristika pada i d) karakteristika snage. Ove linijske karakteristike služe kao me ukorak ka konstruisanju složenih zavisnosti turbina, tj. univerzalnih karakteristika. Pomo u bezdimenzijskih linijskih karakteristika, kao što je na primjer promjena bezdimenzijskog stepena korisnosti u zavisnosti od bezdimenzijskog protoka, mogu e je uporediti Peltonovu, Kaplanovu, Fransisovu i propelernu turbinu, tako da je: η * = η / η i λ Q * = Q / Q, gdje su λ η λ i Qλ vrijednosti stepena korisnosi i protoka u optimalnoj ta ki. Kompletnu sliku o energetskim i kavitacijskim osobinama daju topografski dijagrami, školjkasti dijagrami ili pasoš turbine. Ime ovih karakteristika, odnosno dijagrama govori o svojstvima ovih karakteristika. Tako univerzalna karakteristika ozna ava opštu važnost karakteristike za sve turbine koje zadovoljavaju geometrijsku sli nost. Topografska ili školjkasta karakteristika upu uje na oblik linija istog stepena korisnosti i li e na topografske izohipse, dok pasoš turbine govori o svojstvu karakteristaka da daju sve bitne podatke po kr 28

37 De an Ivanovi kojima se geometrija turbina raspoznaje. Kako sistem za regulaciju obezbe uje jednakost hidrauli kog momenta i momenta ko enja turbine koji je zbir momenta na vratilu generatora i moment sile trenja, to je u normalnim radnim uslovima brzina obrtanja turbine konstantna. Kada do e do pove anja hidrauli nog momenta ili momenta ko enja, regulator smanjuje odnosno pove ava otvor sprovodnog aparata ime smanjuje odnosno pove ava protok kroz turbinu, ime mijenja i hidrauli nu snagu, tj. vra a brzinu obrtanja kola na zadatu vrijednost. U trenutko kada nastupi potpuno rastere enje turbine (M G = 0), a to je slu aj raspada elektri ne mreže, ili slu aj neispravnog regulatora ili njegova blokada, dolazi do naglog pove anja brzine obrtaja rotacionih djelova turbine. Tada se brzo uspostavlja nova prirodna ravnoteža hidrauli nog momenta i momenta sila trenja, ali bez dejstva regulatora i u to trenutku rotor dostiže maksimalnu brzinu obrtanja za zate eni otvor sprovodnog aparata i radnog kola, i ova pojava se naziva zalet ili pobjeg, ili se esto kaže da se turbina otela. Maksimalna brzina obrtanja kola naziva se brzinom obrtanja pobjega, i sva hidrauli na energija se koristi za savla ivanje gubitaka u turbini. Brzina pobjega se odre uje modelskim ispitivanjima na ekperimentalnim postrojenjima. Pri pobjegu turbine raste obimska brzina što izaziva pogoršanje uslova strujanja vode i veliko pove anje hidrauli kih gubitaka u obrtnom kolu i sifonu turbine, pa dolazi do pove anih vibracija. Isto tako sa pove anjem brzine obrtanja rastu i centrifugalne sile u rotacionim elementima turbine, a samim tim naponi u materijalu dostižu i nekoliko puta ve e vrijednosti od nominalnih. Pobjeg je dakle, nepogodna i neželjena pojava, pa je prilikom konstruisanja turbine brzinu pobjega potrebno svesti na najmanju mogu u vrijednost, tako da naponi na elementima turbine ne pre u 0,9σ d, gdje je σ d dozvoljeni napon materijala od kojeg su napravljeni obrtni djelovi turbine. U ostale karakteristike turbina spadaju: 1) Kavitacione karakteristike koje se odre uju eksperimentalnim ispitivanjima na modelima turbina; 2) Eksploatacione karakteristike koje se konstruišu za prototip turbine i imaju prakti nu upotrebnu vrijednost u eksploataciji; 3) Kružne karakteristike koje prikazuju sve mogu e pogonske situacije turbine; 4) Univerzalne etvoro kvadratne karakteristike turbine; 5) Suterov dijagram koji je pogodan za prora une pomo u ra unara HIDROELEKTRANE Hidroelektrana je postrojenje u kojem se potencijalna energija vode najprije pretvara u kineti ku energiju njenog strujanja, a zatim u mehani ku energiju okretanja vratila turbine a ova na kraju u elektri nu energiju u elektri nom generatoru. Hidroelektranu ine i sve gra evine i postrojenja, koje služe za: a) prikupljanje odnosno akumuliranjevode; b) dovo enje i odvo enje vode, a to su brana, zahvati, dovodni i odvodni kanali, cjevovodi itd.; c) pretvaranje energije pomo u vodnih turbina i generatora; d) transformaciju i 29

38 Hidroenergija razvo enje elektri ne energije preko rasklopnih postrojenja i dalekovodi i e) za smještaj i upravljanje cijelim sistemom u mašinskim zgradama i sl. Hidroenergija je najzna ajniji obnovljivi izvor energije, tako da je iskorištavanje energije vodnog potencijala ekonomski u potpunosti konkurentno proizvodnji elektri ne energije iz fosilnih i nuklearnog goriva. Za zadnjih trideset godina proizvodnja u hidroelektranama je pove ana tri puta, dok je u nuklearnim elektranama ona pove ana za 100 puta, što pokazuje da se proizvodnja u hidroelektranama brzo pove ava, ali ipak zna ajno zaostaje za proizvodnjom u nuklearnim elektranama, kao i u termoelektranama. Razlog leži u injenici da iskorištavanje hidroenergije ima bitna tehni ka i prirodna ograni enja. Glavno ograni enje jeste zahtjev za postojanjem obilnog izvora vode tokom cijele godine, pošto je skladištenje elektri ne energije skupo i vrlo štetno za okolinu, a osim toga na odre enim lokacijama je za poništavanje uticaja oscilacija vodostaja potrebno izgraditi brane i akumulacije. Njihovom izgradnjom zna ajno se pove ava investicija, utjecaji na okolinu, potrebna je zaštita od potresa, a u zadnje vrijeme postoje i zna ajne teroristi ke prijetnje. Kada se izgradi hidroelektrana više nijesu potrebna sredstva za sve skuplje gorivo, ne stvara kao kod nuklearnih elektrana veoma opasan otpad, i za razliku od termoelektrana stvara zanemarljivu koli inu štetnih gasova staklene bašte. Danas je u svijetu instalirano hidroelektrana sa snagom oko MW, koje daju 3000 milijardi KWh elektri ne energije u godini, i to je otprilike 20 % svjetske proizvodnje elektri ne energije svih vrsta, ili 88 % od svih obnovljivih izvora energije [14, 15, 16], Slika Velike hidroelektrane Biomasa za grijanje Solarni kolektori Energija vjetra Male hidroelektrane Proizvodnja etanola (**) Biomasa Geotermalno grijanje Obnovljiva u odnosu na totalnu energiju Nafta Ugalj Gas Nuklearna energija Hidroenergija Biomasa Solarna energija Biogorivo Geotermalna Vjetar Solar-PV energija Proizvodnja biodizela (**) Geotermalna energija Koncentrisana solarnotermalna energija Energija okeana, plime i osjeke * GWth ** Milijarda litara/god. Slika Obnovljiva energija u svijetu krajem god. u GW 30

39 De an Ivanovi Prije godina prvo koriš enje hidroenergije je bilo u Egiptu i Mesopotamiji, i to za navodnjavanje, dok se prije 4000 godina po eo koristiti vodeni sat. Hidroenergija se tako e koristila i za vodovodne sisteme koji su služili za dovod svježe vode u vru im i suvim naseljenim podru jima, i to se uglavnom razvilo u Persiji i Kini. U Indiji i u Rimskom Carstvu se za mljevenje žita u brašno koristilo vodeni ko kolo i vodenica. U Rimskom Slika Vodenicko kolo precnika 13 metara Carstvu hidroenergija se koristila i za rudarstvo, i to tako što su se potkopavale planine velikim koli inama vode, koja je dovo ena putem akvedukata s obližnjih planinskih rijeka. Ti isti akvedukti su koriš eni za ispiranje velikih koli ina zlata. Ova metoda se kasnije razvila u hidrauli no rudarenje, a to je ustvari korištenje mlazeva vode visokog pritiska, za ispiranje stijena i sedimenata, što je naro ito bilo prisutno za vrijeme zlatne groznice u SAD u 19. vijeku. Po etkom industrijske revolucije, parna mašina je sve više prisutna, ali je hidroenergija još uvijek koristila, kao naprimjer za duvanje mjehova za vazduh kod visokih pe i, za mlinove, pogon uspinja a itd. Francuski inženjer Bernard Forest de Bélidor godine opisuje hidrauli ne mašine sa horizontalnom i vertikalnom osovinom., Prvi elektri ni generatori razvijeni su krajem 19. vijeka, što je omogu ilo izgradnju prvih hidroelektrana, tako da je na slapovima Nijagare prva moderna hidrocentrala po ela da proizvodi elektri nu struju, što je i ozna ilo veliku pobjedu Teslinog sistema naizmjeni ne struje, koji, za razliku od Edisonove jednosmjerne struje, omogu ava prijenos velikih koli ina elektri ne energije na daljinu. Hidroelektrane se mogu podijeliti prema njihovom smještaju, padu vodotoka, na inu korištenja vode, zapremini akumulacijskog bazena, smještaju mašinske zgrade, ulozi u elektroenergetskom sistemu, snazi itd. Prema na inu korištenja vode, odnosno regulacije protoka, hidroelektrane se dijele na: 1) akumulacijske, kod kojih se dio vode prikuplja, odnosno akumulira, kako bi se mogla koristiti kada je potrebnije, slika 2.29.; 2) proto ne, kod kojih se snaga vode iskorištava kako ona doti e slika 2.30.; i 3) reverzibilne ili pumpnoakumulacijske, kod kojih se dio vode koji nije potreban pomo u viška struje u sistemu pumpa na ve u visinu, odakle se pušta kada je potrebnije slika Slika Akumulacijska hidroelektrana Slika Proto na hidroelektrana Slika Cijev reverzibilne hidroelektrane 31

40 Hidroenergija Potencijalna energija akumulacijskih hidroelektrana dolazi od akumulacionog jezera, koji ima branu, i kad je potrebno voda se dovodi do vodne turbine i elektri nog generatora, da bi se proizvela elektri na energija. Snaga zavisi od visine vodenog stuba, odnosno razlike izme u visine površine vode u akumulacionom jezeru i odvoda vode poslije vodne turbine. Cijev koja vodi od akumulacionog jezera do vodne turbine naziva se pritisni cjevovod. Kod proto nih hidroelektrana uzvodna akumulacija može da se isprazni za manje od dva sata rada kod nazivne snage, a može da takva akumulacija uopšte i da ne postoji. Tu se kineti ka energija vode skoro direktno koristi za pokretanje vodnih turbina. One su jednostavne za izgradnju, pošto nema dizanja nivoa vodostaja, tako e imaju mali uticaj na okolinu, dok su vrlo zavisne od trenutno raspoloživom vodenom toku. Kod reverzibilnih hidroelektrana sa reverzibilnim turbinama voda se iz donjeg akumulacijskog jezera pumpa natrag u gornje akumulacijsko jezero. Taj proces se dešava u satima u kojima nije vršno optere enje, zbog uštede energije i raspoloživosti postrojenja u vršnim satima. Zapravo, donja akumulacija služi za punjenje gornje akumulacije. Iako pumpanje vode zahtjeva utrošak energije, korisnost se ogleda u tome što hidroelektrana raspolaže sa više vodenog potencijala za vrijeme vršnih optere enja, te je osnovna primjena u pokrivanju vršnih optere enja. Iako su energetski neefikasne, ipak su prakti nije od dodatne izgradnje termoelektrana za pokrivanje vršnih optere enja potrošnje. Prema smještaju samih postrojenja, a to zna i prema vodenom toku iju energiju iskorištavaju, hidroelektrane mogu biti: 1) "klasi ne", na kopnenim vodotokovima: rijekama, potocima, kanalima i sl.; 2) na morske mijene: plimu i osjeku, slika 2.32.; i 3) na morske talase, slika Energija plime i osjeke spada u oblik hidroenergije koja kretanje mora prouzrokovano morskim mijenama, odnosno padom i porastom nivoa mora, koristi za transformaciju u elektri nu energiju ili druge oblike energije. Potencijal nije mali iako za sada još nema ve ih komercijalnih dometa na eksploataciji te energije. Taj na in proizvodnje elektri ne energije ne može pokriti svjetske potrebe, 32 Slika Hidroelektrana na plimu i osjeku ali može dati veliki doprinos u obnovljivim izvorima energije. Morske mijene su predvidljivije od energije vjetra i solarne energije. Energija plime i oseke ima potencijal za proizvodnju elektri ne energije samo u odre enim djelovima svijeta, odnosno tamo gdje su morske mijene nari ito naglašene. Tako u jugozapadnom dijelu Velike Britanije i na pojedinim mjestima obale u zapadnoj Francuskoj amplituda plime i osjeke dostiže ak i 12 m, a za ekonomi nu proizvodnju je potrebna minimalna visina od 7 m. Procjenjuje se da na svijetu postoji oko 40 lokacija koje bi bile pogodne za instalaciju plimnih elektrana. Hidroelektrane na talase koriste energiju talasa za proizvodnju elektri ne

41 De an Ivanovi energije. Energija talasa je obnovljivi izvor energije, i to je energija koja nastaje najve im dijelom djelovanjem vjetra o površinu okeana i mora, tako da se snaga talasa razlikuje od dnevnih mijena plime i osjeke kao i od stalnih cirkularnih okeanskih struja. Za korištenje energije talasa potrebno je odabrati lokaciju na kojoj su talasi dovoljno esti i dovoljne snage. Zavisno od geografskog položaja, Slika Hidroelektrana na talase ta snaga varira od 3 kw/m na Mediteranu do 90 kw/m na Sjevernom Antlatiku. Proizvodnja snage iz talasa trenutno nije široko primijenjena komercijalna tehnologija, iako su postojali pokušaji njenog korištenja još od ranije. Prema padu vodotoka, odnosno visinskoj razlici izme u zahvata i ispusta vode, klasi ne hidroelektrane se mogu podijeliti na: 1) niskopritisne, sa padom do 25 m; 2) srednjepritisne, kod kojih je pad izme u 25 i 200 m; i 3) visokopritisne, pri padu ve im od 200 m. Za niske padove do približno 40 metara koriste se Kaplanove turbine koje rade sli no kao i Fransisove turbine, s tim da je broj lopatica daleko manji. Za srednje padove do 200 metara koriste se Fransisove turbine, kod kojih provodni dio sa lopaticama okružuje turbinsko kolo. U provodnom dijelu ovih turbina potencijalna se energija vode samo djelimi no pretvara u kineti ku, tako da sa odre enim pritiskom dospijeva u obrtno kolo kome predaje svoju energiju. Za visoke padove preko 200 metara primjenjuju se Peltonove turbine kod kojih se potencijalna energija vode u provodnom dijelu u potpunosti pretvara u kineti ku energiju, i u obliku vodenog mlaza pokre e lopatice turbine pretvaraju i kineti ku energiju u mehani ku. Prema na inu punjenja akumulacijskog jezera hidroelektrane mogu biti: 1) sa dnevnom akumulacijom, kod kojih se akumulacija puni po no i, a prazni po danu; 2) sa sezonskom akumulacijom, gdje se akumulacija puni tokom kišnog, a prazni tokom sušnog perioda godine; i 3) s godišnjom akumulacijom, kod kojih se akumulacija puni tokom kišnih, a prazni tokom sušnih godina. Prema udaljenosti mašinske zgrade od brane hidroektrane se dijele na: 1) pribranske, gdje je mašinska zgrada smještena neposredno uz branu, i to naj eš e ispod nje; i 2) derivacijske, ija je mašinska zgrada smještena dalje od brane. Prema smještaju mašinske zgrade hidroektrane se dijele na: 1) nadzemne, kod kojih je mašinska zgrada smještena iznad nivoa tla; i 2) podzemne, kod kojih je ona smještena ispod nivoa tla. 33

42 Hidroenergija Prema ulozi u elektroenergetskom sistemu hidroelektrane se mogu podijeliti na: 1) temeljne, koje rade cijelo vrijeme ili ve inu vremena; i 2) vršne, koje se uklju uju kada se za to pokaže potreba, odnosno za pokrivanje vršne potrošnje. Prema instalisanoj snazi hidroelektrane mogu biti: 1) velike; 2) male; 3) mikro; i 4) piko. Razlika izme u velikih i malih hidroelektrana, nijesu u svijetu jednozna no odre eni tako da se mogu kretati od 5 kw u Kini do 30 MW u SAD-u, dok se kod nas malom smatra HE snage izme u 50 kw do 5 MW. U nekim zemljama postoji i dodatna podjela malih hidroelektrana na mikro, mini i piko elektrane. Velike hidroelektrane su velike gra evine i obi no imaju snagu od nekoliko stotina MW do preko 20 GW ( MW). Najve e hidroelektrane u pogonu su: hidroelektrana Tri klisure u Kini 22,5 GW, hidroelektrana Itaipu u Brazil/Paragvaju 14 GW i hidroelektrana Guri u Venecueli 10,2 GW, [17]. Nedostatak tako velikih gra evina je negativan uticaj na okolinu. Kod izgradnje hidroelektrane Tri klisure poplavljeno je ak 29 milijona kvadratnih metara zemlje, potopila su se dva velika i 116 manjih gradova, raseljeno je više od milijon stanovnika, tako da e u akumulacionom jezeru završiti sva prljavština potopljenih gradova, fabrika i bolnica, kao i više od tri hiljade industrijskih i rudarskih preduze a. Za male hidroelektrane se, me utim, smatra da nemaju nikakav štetan uticaj na okolinu, za razliku od velikih, ija se štetnost opisuje kroz velike promjene ekosistema, zbog izgradnje velikih brana, uticaji na tlo, poplavljivanje, uticaji na slatkovodni živi svijet, pove ana emisija metana i postojanje štetnih emisija u itavom životnom ciklusu hidroelektrane, a vezane su za period izgradnje elektrane, proizvodnje materijala i transport. Danas se za tehnologiju koja se koristi za hidroenergiju, a koja se smatra obnovljivim izvorom energije, može re i da je tehni ki najrazvijenija na svjetskom nivou, sa visokim stepenom efikasnosti, zbog ega do 22% svjetske proizvodnje elektri ne energije dolazi iz malih i velikih hidroelektrana. Grani na snaga koja dijeli hidroelektrane na male hidroelektrane razlikuje se od zemlje do zemlje. Tako neke zamlje, kao što su Španija, Gr ka, Belgija i Portugalija, su prihvatile 10 MW kao gornju granicu instalisane snage za male hidroelektrane. U Italiji je granica 3 MW, u Švedskoj 1,5 MW, u Francuskoj 8 MW, u Indiji 15 MW, u Kini 25 MW. U Evropi se sve više prihvata kapacitet od 10 MW instalisane snage kao gornja granica i tu granicu je podržala Evropska zajednica malih hidroelektrana (ESHA), kao i Evropska komisija [18]. Prema postoje im propisima u Crnoj Gori, mala hidroelektrana, odre ena je kao postrojenje za iskorištavanje energije vodotokova s izlaznom elektri nom snagom od 10 kw do 10MW. Mikro hidroelektrane uglavnom imaju snagu do 100 KW, i obi no se grade za male odvojene zajednice ili su povezane na dalekovode kao izvor jeftine i obnovljive energije. Najve a prednost takvih elektrana je da nije potrebno gorivo, i dobro se nadopunjuju sa solarnim fotonaponskim elektranama, jer obi no rijeke presuše tokom ljetnjeg perioda, kada ima najviše Sun eve energije. Piko hidroelektrane imaju snagu ispod 5 kw, i povoljne su za jedno ili nekoliko doma instava. Mogu e je 34

43 De an Ivanovi ugraditi piko vodnu turbine sa padom vode od samo 1 metar, da bi dobili 200 do 300 W energije, i uglavnom se postavljaju kao proto ne hidroelektrane [19]. Djelovi hidroelektrane su: 1) Dovodni tunel; 2) Pritisni cjevovod; 3) Vodostan ili vodna komora; 4) Mašinska zgrada; i 5) Odvod iz mašinske zgrade. U dovodnom kanalu ili tunelu po pravilu voda ne ispunjava cijeli popre ni presjek ve voda te e sa slobodnim vodnim cicem, tj. iznad slobodnog nivoa te nosti vlada atmosferski pritisak. Kod cjevovoda to nije slu aj, voda ispunjac+va cijeli popre ni presjek, nema vodnog lica, i voda je pod pritiskom ve im od atmosferskog. Dovodni tunel hidroelektrana obi no je kružnog presjeka, jer je to hidrauli ki i stati ki najpovoljniji oblik. Prosje na brzina vode u dovodnom tunelu je od 3 do 4 m/s. Ulazna brzina ne treba iz hidrauli kih razloga biti ve a od 1,2 m/s, i zbog toga, ulaz tunela ima ljevkasti oblik. Pritisni cjevovod (engl. penstock) je uglavnom eli ni cjevovod, a može dio cijevi biti i betonski, slika 2.34., koji je postavljen koso ili u nekim slu ajevima i vertikalno, a služi da se voda dovede do mašinske zgrade, i završava ra vom kojom se prispjela voda dijeli pojedinim vodnim turbinama. Slika Cjevovod pod pritiskom Vodostan se gradi u slu aju da je dovodni tunel duga ak, koji može biti i 10 do 20 km, jer se pri pokretanju hidroelektrane masa vode ne može u kratkom roku, a to je sekundi, pokrenuti i dobiti brzinu da bi se na vodnim turbinama stvorila dovoljna snaga za proizvodnju elektri ne energije. Da bi se smanjilo neželjeno djelovanje inertnosti vode, kao i da bi se izbjegli uticaji koji nastaju zbog njene stišljivosti pri vodenom udaru, u blizini turbine se grade vodostani, odnosno vodne komore, slika Prema tome, osnovni zadatak vodostana je da se pri ulasku turbine u pogon obezbijedi dio vode prije nego što ona po ne da te e u dovoljnoj koli ini kroz dovodni tunel, kao i da prihvati dio vode koja se kre e dovodnim tunelom pri Slika Vodostan zaustavljanju turbina. Na taj na in se izbjegava nagla promjena brzine u dovodnom tunelu kao i pojava vodenog udara. Mašinska zgrada je postrojene u sklopu hidroelektrane u kojoj se potencijalna energija vode najprije pretvara u kineti ku energiju njenog strujanja, a zatim u mehani ku energiju obrtanja vratila vodne turbine i na kraju u elektri nu energiju u elektri nom generatoru. 35

44 Hidroenergija Nadzemne mašinske zgrade se nalaze uz rijeku, tako da iz turbine voda oti e neposredno u korito rijeke ili kanalom, ako je mašinska zgrada udaljena od korita rijeke. Kanal se gradi kao kod niskopritisnih hidroelektrana, premda ima potpuno obloženih kanala, i tada nema poteško a sa podzemnim vodama. Kod podzemnih hidroelektrana voda se odvodi tunelom, koji završava u koritu rijeke ili u odvodnom kanalu. Ako je tunel dug, a protok velik ili se na primjer nivo vode u koritu u prili noj mjeri mijenja, voda onda oti e pod pritiskom, pa je zato potreban i donji vodostan, koji se dimenzionira na istim principima, kao i gornji vodostan. Gornji dio donjeg vodostana povezan je sa atmosferom, i to obi no kroz pristupni tunel. Brzine vode u odvodnom tunelu iznose 2 do 3 m/s. Pritisni tuneli su obi no obloženi radi smanjenja hrapavosti, tj. Radi smanjenja gubitaka energije vodenog toka. Kod hidroelektrana je smanjena ili skoro u potpunosti eliminisana emisija gasova staklene bašte, ako se isklju ivo posmatra samo proces proizvodnje elektri ne energije. Me utim, to se ne može re i za cijelu hidroelektranu, kao sistem u kojem spadaju brana, turbina, elektri ni generator, kao i akumulacijsko jezero. Ali i pored toga me u svim izvorima energije, hidroelektrane su najmanji proizvo a i gasova staklene bašte, a zatim slijede vjetroelektrane, nuklearne elektrane i energija dobijena foto naponskim elijama [20]. Velika prednost je što ne koriste fosilna goriva kao pokreta turbine, odnosno elektri nog generatora, tako da elektri na energija proizvedena u hidroelektranama postaje rentabilnija, i nezavisna od cijene i ponude fosilnih goriva na tržištu. Tako e, hidroelektrane imaju predvi eni duži životni vijek nego elektrane na fosilna goriva. Sa ekonomskog aspekta bitno je i to što današnje, moderne, hidroelektrane zahtijevaju vrlo mali broj osoblja, zbog velikog stepena automatizovanosti. Važno je i to da se cijena investicije u izgradnju hidroelektrane povrati u periodu do deset godina [21]. Osim svoje primarne funkcije akumulacijska jezera hidroelektrana mogu imati još nekoliko pozitivnih aspekata. Svojom veli inom mogu da privla e turiste, a i na njihovoj površini mogu se odvijati razni vodeni sportovi. Tako e velike brane imaju zna ajnu ulogu i u navodnjavanju, kao i u regulaciji toka rijeka. Urušavanje brane, kao klju nog dijela hidroelektrane može dovesti do velikih katastrofa za cijeli ekosistem nizvodno od brane. Kvalitet izgradnje, konstrukcije i održavanje brane nije dovoljna garancija da je brana osigurana od ošte enja, jer brane su vrlo primamljiv cilj tokom vojnih operacija, teroristi kih akcija itd. Primjer koji svjedo i o opasnosti ljudskih života je hidroelektrana Tri klanca u Kini, slika Pošto se elektrana Slika Brana HE Tri klisure u Kini nalazi na najve oj kineskoj rijeci Jangce, koja je uz to i najbogatija vodom, to se i opravdava izgradnja hidroelektrane na 36

45 De an Ivanovi njoj. Me utim, vodeni bazen, odnosno hidroakumulacijsko jezero te brane, je toliko veliko da svojom težinom optere uje zemljinu koru. Ako se uzme u obzir da je to podru je geološki nestabilno, tj. da se nalazi na spoju litosfernih plo a, jasno je da postoji opravdani rizik od potresa, što kod stru njaka izaziva strah od potresa i urušavanja brane. U svojem toku rijeka nosi vodeni materijal u obliku pijeska i mulja, i vremenom dolazi do taloženja toga materijala u akumulacionom jezeru, pa je posljedica toga smanjivanje dubine vode u jezeru. To se može izbje i izgradnjom raznih kanala koji imaju ulogu premosnice, tako da se odvodi taj sediment. Rezultat je da svaka hidroelektrana ima svoj životni vijek, nakon kojeg postaje neekonomi na [22, 23]. Negativni aspekti prilikom gradnje brana je nužnost uništavanja privrednih, kulturoloških i prirodnih dobara. Prilikom punjenja akumulacijskog jezera dolazi do nužnog potapanja svega onoga što se našlo ispod površine samoga jezera, slika Fauna toga podru ja je primorana na preseljenje, kao i ljudi. Tako se, do 2008.godine, procjenjuje da je kod gradnji hidroelektrana preseljeno izmedu 40 do 80 milijona ljudi širom svijeta. U podru jima, gdje je temperatura viša, prilikom Slika Hidroelektrane sa branom potapaju velike površine kopna truljenja i raspadanja biljnih ostataka zarobljenih pod vodom, u anaerobnim uslovima, dolazi do stvaranja gasova staklene bašte. U prvom redu nastaju ugljendioksid CO 2 i metan. Ustvari, stvaranje ugljendioksida i nije toliko zabrinjavaju e, jer je on ionako ve kružio u atmosferi te su ga biljke tokom svojega rasta, u procesu fotosinteze ugradile u svoje tkivo, a i to nije novooslobo eni CO 2, kao što nastaje prilikom sagorijevanja fosilnih goriva. Zanimljivo je da je emisija CO 2, oslobo ena u akumulacijskim jezerima, ve a nego u elektranama u kojima sagorijeva fosilno gorivo, ukoliko prije punjenja akumulacije vodom šuma nije bila posje ena i o iš ena. Zapravo, puno ve i problem je stvaranje metana, koji odlaze i u atmosferu pridonosi efektu staklene bašte. Kada se posmatra koli ina hidroenergije, tj. elektri ne energije proizvedene u hidroelektranama, tokom nekog perioda, treba razlikovati dva pojma: a) nominalnu snagu koju ta hidroelektrana može ostvariti kada bi cijeli posmatrani period radila punim kapacitetom, i b) stvarnu proizvedenu snagu u posmatranom periodu. Odnos godišnje, stvarno proizvedene snage te instalirane snage je faktor kapacitivnosti. Instalirana snaga je zbir svih generatora neke države kada bi radili pri nominalnoj snazi tokom cijele godine. U tablici 2.1. se nalaze podaci o godišnjoj proizvodnji elektri ne energije koju je objavio BP Statistical Review Full Report

46 Hidroenergija Tabela 2.1. Država Godišnja proizvodnja hidroelektri ne energije (TWh) Instalirana snaga (GW) Faktor kapacitivnosti Postotak od ukupne proizvodnje el. energ. Kina 585,2 171,52 0,37 17,18 Kanada 369,5 88,974 0,59 61,12 Brazil 363,8 69,080 0,56 85,56 SAD 250,6 79,511 0,42 5,74 Rusija 167,0 45,000 0,42 17,64 Norveška 140,5 27,528 0,49 98,25 Indija 115,6 33,600 0,43 15,80 Venecuela 86, ,17 Japan 69,2 27,229 0,37 7,21 Švedska 65,5 16,209 0,46 44,34 Paragvaj 64, Francuska 64,4 25,335 0,25 11, DJELOVI HIDROELEKTRANE PROVODNICI VODE Provodnici vode su hidrotehni ke gra evine koje služe za transport vode, tako što se voda od mjesta zahvata u prirodi dovodi provodnicima do mjesta korištenja, a koji se koriste i za raspodjelu vode na mjestu korištenja, kao i za odvod vode nazad u prirodu. Provodnici se razlikuju prema konstrukciji, i zato se dijele na kanale, tunele i pritisne cjevovode. Na njima se izvode odgovaraju e gra evine i ugra uje oprema prema potrebi. Druga podjela prema kojoj se razlikuju provodnici vode, odnosi se na uslove te enja vode, pa se razlikuju provodnici kod kojih je te enje sa slobodnim vodnim licem i te enje pod pritiskom. Po pravilu dovodni kanali su provodnici sa slobodnim vodnim licem, a cjevovodi su provodnici s te enjem pod pritiskom. U tunelu te enje može biti sa slobodnim vodnim licem kao i te enje pod pritiskom. Obi no se tuneli u kojima voda te e pod pritiskom izvode sa kružnim popre nim presjekom, a primjenjuju se u slu aju ve ih oscilacija nivoa vode u podru ju ulaza u tunel. Hidrauli ki prora un jednak je prora unu cijevi pod pritiskom. Tuneli se vode najkra om 38

47 De an Ivanovi trasom, prema geološkim i geomehani kim karakteristikama stijena kroz koje prolaze. Zbog pražnjenja tunel se izvodi sa padom u smjeru te enja vode od 2-4 %,a s obzirom na gubitke energije potrebno je da polupre nik krivine tunel bude ve i od 5 pre nika. Me utim, tuneli sa te enjem sa slobodnim vodnim licem, iznad kojeg je atmosferski pritisak, izvode se izduženih popre nih profila, a dimenzije se odre uju kao i kod kanala uz pretpostavku jednoliko stacionarnog režima te enja. Iznad nivoa vode ostavlja se slobodni prostor visine oko 20% visine popre nog profila tunela, dok je pad dna tunela definisan hidrauli kim prora unom i konfiguracijom terena, pa je postavljanje trase ograni eno u odnosu na tunel sa te enjem pod pritiskom. Dovodni tunel hidroelektrana obi no je kružnog presjeka, jer je to hidrauli ki i stati ki najpovoljniji oblik. Pri malim unutrašnjim pritiscima tuneli obi no imaju oblik potkovice. Prosje na brzina vode u dovodnom tunelu je od 3 do 4 m/s, dok ulazna brzina nebi trebalo iz hidrauli kih razloga biti ve a od 1,2 m/s, i zato ulaz tunela Slika 2.38 Ulaz u dovodni tunel ima ljevkasti oblik, slika Rešetka na ulazu u dovodni tunel spre ava da u tunel dospiju ne isto e koje plivaju ili plutaju. U oknu na kraju ulazne gra evine postavlja se zatvara, kojim se upravlja s površine, slika Mehanizam za dizanje ima hidrauli ki ili elektri ni pogon, a okno je tako oblikovano da može izlaziti vazduh kada se tunel puni. Zatvara zatvara prema uzvodnoj strani, tako da nizvodno okno može da služi i za ventilaciju. Prilikom punjenja zatvara se samo malo podigne i tako ostaje sve dok se tunel ne napuni i dok se ne izravna pritisak. Ako je dio dovoda izveden kao Slika 2.39 Zatvarac dovodnog tunela i cistac rešetke cjevovod, zatvara onda mora imati ure aj za automatsko spuštanje, u slu aju da se ošteti cjevovod. Ventilacijsko okno služi za spuštanje vozila za kontrolu tunela u doba održavanje. Koliki e biti visinski položaj ose tunela na ulazu zavisi od minimalnog radnog nivoa vode u akumulaciji, a u vodostanu od najniže kote vode, koja se može pojaviti pri naglom otvaranju turbina. Da ne bi ulazio vazduh u tunel, vrh tunela se na kraju ulazne gra evine nalazi jedan do dva pre nika tunela ispod minimalnog radnog nivoa u jezeru, zavisno od brzine vode u tunelu. Sve ovo važi i za vodostan. Kako voda otežava i poskupljuje radove, vrela se moraju kaptirati, a kaverne ostaviti nezatrpane da bi se nakon kiše omogu ilo oticanje vode. Posebno su teško e kada se radovi na tunelu izvode u kršu, gdje se nailazi esto na velike vodonosne pukotine i kaverne. Tada se betonska obloga izvodi od prskanog betona, djelimi no od montažnih elemanata ili pomo u teleskopske oplate. Zbog radijalnog djelovanja pritiska vode u oblozi pojavljuju se naponi zatezanja, tj. tangencijalni napon, što može 39

48 Hidroenergija prouzrokovati pucanje prstena i gubitak vode ve i od dozvoljenog, pošto je obloga relativno tanka s obzirom na pre nik tunela i njena debljina je obi no 300 do 600 mm. Zato se iza obloge utiskuje cementni malter i cementno mlijeko pomo u inekcija, jer vezno injektiranje omogu ava dobru vezu izme u betona i okolne stijene a i popunjava šupljine u betonu, odnosno uzrokuje prednaprezanje obloge, i na taj na in spre ava pucanje obloge. Ako je brdski masiv slabih elasti nih svojstava, izvodi se konsolidacijsko injektiranje do dubine 3 do 5 metara i time poboljšava kvalitet stijene, sprije avaju se ve e deformacije i pucanje obloge. U profilu broj injekcionih bušotina je ve i od tri, zavisan je od pre nika tunela, i njihov raspored uzduž tunela je naizmjeni an. Obloga tunela prora unava se stati kim prora unima, i danas se mnogo bolje može dimenzionisati obloga i utvrditi naponsko stanje u oblozi i oko nje pomo u metode kona nih elemenata. Sve metode traže dobro poznavanje geomehani kih svojstava brdske mase oko tunela, pa se ona u toku izgradnje stati ki i dinami ki ispituje. Pre nici tunela su obi no od 6-8 metara, a mogu biti i viši. Neobloženi dovodni tuneli mogu se graditi kad su stijene vrste i vodonepropusne. Za vrijeme rada hidroelektrane urušava se materijal, pa se na kraju tunela grade velike taložne komore, radi zaštite turbine od ošte enja. Praksa je pokazala da u takvim tunelima nastaju ve a obrušavanja zbog djelovanja vode pod pritiskon iz tunela. Pošto se nadzemne mašinske zgrade nalaze uz rijeku, to iz turbine voda oti e neposredno u korito rijeke ili kanalom, ako je mašinska zgrada udaljena od korita rijeke. Kanal se obi no gradi kao i kod niskopritisnih hidroelektrana, iako ima i potpuno obloženih kanala kada nema teško a sa podzemnom vodom. Kod podzemnih hidroelektrana voda se odvodi tunelom, koji završava u koritu rijeke ili u odvodnom kanalu. Ako je tunel dug, a protok velik ili se nivo vode u koritu prili no mijenja, voda oti e pod pritiskom, pa je potreban donji vodostan, koji se dimenzioniše kao i gornji. Gornji dio donjeg vodostana povezan je sa atmosferom, i to obi no kroz pristupni tunel. Brzine vode u odvodnom tunelu iznose 2 do 3 m/s. Pritisni tuneli su obi no obloženi radi smanjenja hrapavosti. Na kraju tunela moraju se predvidjeti mjesta za postavljanje pomo nih zatvara a i ure aji za njihovo podizanje, da bi se kanal mogao pregledati i popraviti. Ako je odvod gravitacijski, oblaže se samo proticajni profil, a vrh tunela se osigurava, sidrima i pocin anom mrežom. Slobodni profil iznad maksimalnog nivoa, mora biti toliki da se ne zaguši vodni tunel pri otvaranju turbina. Od uticaja morskih talasa, odvodni tunel se zašti uje posebnom konstrukcijom izlazne gra evine ili zaštitnim talasobranom. S obzirom na nisak položaj ovih tunela u pore enju sa nivoom podzemne vode, treba uvijek o ekivati poteško e. Od podzemnog smještaja nekih mašinskih zgrada moralo se odustati zbog relativno velikog i stalnog priliva podzemne vode u pristupnom i u odvodnom tunelu PRITISNI CJEVOVOD 40

49 De an Ivanovi Pritisni cjevovod (engl. penstock) je obi no eli ni cjevovod hidroelektrane, koji se postavlja koso a u nekim slu ajevima i vertikalno slika 2.40, i služi da se voda sprovede do mašinske zgrade, a završava nesimetri nom r kojom se voda dijeli pojedinim vodnim turbinama slika 2.41[24]. Voda iz dovodnog tunela ili dovodnog kanala se dovodi vodnim turbinama nadzemnom ili podzemnom pritisnom cijevi. Pošto je taj dio dovoda vode pod najve im unutrašnjim Slika 2.40 Pritisni cjevovod pritiskom, on je i skup i osjetljiv. Kada se cijev polaže po površini terena, treba prona i tlo koje se ne sliježe i koje nije ugroženo od klizanja i spoljnjih ošte enja. Kada je cijev blago nagnuta, onda je ona duga ka i skupa, a njena zaštita od vodenog udara veoma složena. Podzemna mašinska zgrada smanjuje dužinu cijevi, jer ona onda može biti vertikalna, tako da su pogon hidroelektrane i izgradnja cijevi jednostavniji. Za podzemne mašinske zgrade dio cijevi može biti položen po površini, a samo donji dio ukopan u brdskom masivu. Put i tip tog dijela dovoda Slika 2.41 Racva na donjem dijelu pritisnog cjevovoda zavisi od položaja mašinske zgrade, terenskim uslovima, padu kao i troškovima gradnje. Položaj cijevi koja je položena po površini obezbe uje se vrstim blokovima na mjestu loma cjevovoda, a izme u njih cijev se oslanja na sedla medusobno udaljena 10 do 15 metara. Blokovi su betonski i masivni, a kad je to mogu e cijev se veže uz tlo eli nim obru ima i sidrima. Da bi se izbjeglo djelovanje sila pobu enih temperaturnim silama, tj. toplotno istezanje, stavljaju se iza blokova posebni dilatacijski komadi ili sastavi sa zaptivanjem, koji dopuštaju skra ivanje ili produžavanje cijevi. Razmak izme u blokova nebi trebalo biti ve e od 200 metara. Podzemne cijevi se slobodno polažu u rovu ili su izbetonirane i zainjektirane. Za slobodno položenu cijev rov je obi no kos, a za ubetoniranu je naj eš e vertikalan, pošto se na taj na in smanjuje dužina, pojednostavljuje prevoz i kontrola. Ako je stijenski masiv kompaktan, za ubetonirane cijevi može se smatrati da stijena preuzima dio optere enja, što omogu ava da se dopuštena naprezanja lima pove aju i do 30 %. Na taj na in se postižu velike uštede u limu, tako da se mogu izvesti cijevi ve eg pre nika a i lakše je prona i lim potrebnog kvaliteta. Teži se, zapravo, da lim ne bude deblji od 40 mm, i da se može zavariti samo sa unutrašnje strane. Za pritisni cjevovod hidroelektrana proizvode se specijalni limovi, u kosi rov mora se za prevoz cijevi postaviti kolosjek, ime se produžava trajanje izgradnje. Cijev se ina e montira odozdo prema gore. Polucilindri se zavaruju na gradilištu i sastavljaju u komade cijevi do 6 metara. Kad je predvi eno ubetoniranje cijevi, najprije se eli nim motkama fiksira njen položaj u rovu, zatim se zavari, i nakon toga se ubetonira. 41

50 Hidroenergija Zavarena mjesta se kontrolišu ultrazvukom, a krstasti spojevi rendgenskim snimanjem. Injektiranje se izvodi na kontaktu elik beton i beton stijena. To su vezne injekcije na sli nom principu kao u tunelu. Konsolidacijske injekcije izvode se onda kada su potrebne. Pritisci su znatno niži, i to za 2 do 4 bara, nego kad se injektira u tunelu, iz razloga da se cijevi ne bi deformisale. Tako e se slobodno položene cijevi u rovu i spoljašnje cijevi moraju zaštititi od korozije, i zato održavanje zahtijeva pranje cjevovoda vru om vodom, antivegatativni premaz i isušivanje. Treba voditi ra una da brzina vode na donjem kraju pritisnog cjevovoda ne bude ve a od 6 m/s, jer se tada pojavljuju teško e sa pojavom vodenog udara. Zato je u hidroelektranama sa velikim padom potrebno ograni iti porast pritiska koji nastaje vodenim udarom. To se u Peltonovim turbinama postiže otklanja em mlaza, jer on brzo rastere uje turbinu, a regulacijska igla može tada sporo zatvarati dovod vode. U Fransisovoj turbini to se postiže regulatorom pritiska, tj. sinhronim ispustom, tako da se regulacijom trajanja zatvaranja tog ispusta može porast pritiska smanjiti na iznos 10 do 15 % od stati kog pritiska. Ako je instalirani protok vode veliki, onda se uz ve i pad mora pove ati broj cijevi, da bi se smanjio njihov pre nik. Obi no u velikim hidroelektranama svaka vodna turbina ima svoju pritisnu cijev. Kad su tablasti zatvara i na ulazu u pritisnu cijev, onda sve cijevi izlaze neposredno iz vodostana. Kada ih ima više od tri, tada se ra vaju iza vodostana, a zatvara i su onda cijevni i moraju se smjestiti u zasunskoj komori. Bilo da se ra va nalazi iza vodostana ili ispred turbine, ona treba da bude simetri na, da bi hidrauli ki gubici bili što manji. O igledno da je izvo enje donje ra ve vrlo složen zadatak u hidroelektrani visokog pritiska [25] VODENI (HIDRAULI KI) UDAR Vodeni udar ili hidrauli ki udar je nagla i zna ajna promjena pritiska usled promjene brzine vode na jednom kraju cjevovoda, i obi no se dešava na nizvodnom kraju cjevovoda usled zatvaranja zatvara a. Hidrauli ki udar se formira pod uticajem sila inercije i sila elasti nosti, slika Brzine širenja promjene pritiska u pritisnom cjevovodu su vrlo velike, i za eli ne cjevovode su oko 1000 m/s. Porast pritiska na zatvara u usled vodenog udara može dosti i vrijednosti od nekoliko desetina bara, pri emu obi no dolazi do vibracija cijevi i pojave buke. Periodi oscilacije pritiska su po pravilu vrlo kratki i mogu iznositi nekoliko djelova Slika 2.42 Ekspanzioni spojevi na parnim linijama uništeni uslijed hidraulickog (parnog) udara sekunde. Kakav e biti efekat hidrauli kog udara, zavisi od protoka kroz pritisni 42

51 De an Ivanovi cjevovod, njegove dužine, elasti nih svojstava cjevovoda, dimenzija cjevovoda i vremena trajanja manevra sa zatvara ima koji može trajati svega par sekundi [26]. Kod visokopritisnih hidroelektrana hidrauli ki udar se ne prenosi u dovodni tunel, pošto pri zatvaranju višak vode iz tunela ulazi u vodostan. Pri naglom otvaranju zatvara a vodne turbine, a to je trenutak puštanja hidroelektrane u pogon, sve dok se ne uspostavi stacionarno strujanje te nosti, manjak vode u pritisnom cjevovodu se nadokna uje iz vodostana. Prema tome, masa vode iz dovodnog tunela oscilira u sistemu dovodni tunel vodostan, gdje dominiraju sile inercije i sile trenja. Vrijeme trajanja ovih oscilacija do kona nog smirivanja vode, a to je pri naglom zatvaranju zatvara a, može potrajati vrlo dugo, ak i nekoliko sati. Hidrauli ki udar u pritisnom cjevovodu ni fizi ki a ni vremenski se ne podudara sa oscilacijama vode u sistemu dovodni tunel vodostan, tako da se ta dva procesa mogu odvojeno izu avati i prora unavati, jer je pritisak na ulazu u pritisni cijevovod odre en za sve vrijeme kotom vode u vodostanu. Kada se hidrauli ni udar ra una za potrebe dimenzionisanja pritisnih cjevovoda kod visokopritisnih hidroelektrana, onda se zanemaruje uticaj trenja [27]. Glavni zahtjevi projektnog zadatka pri prora unu hidrauli nog udara u pritisnom cjevovodu je odre ivanje maksimalnih vrijednosti pritiska i protoka na zatvara u i na osnovu toga dimenzionisanje cjevovoda za dati režim zatvaranja zatvara a. Isto tako potrebno je prora unati proces naglog puštanja turbina u pogon, jer u ovom slu aju, kada u po etnoj fazi voda u pritisni cjevovod dolazi iz vodostana, ne smije se dozvoliti ni pod kojim uslovima ulazak vazduha u pritisni cjevovod, što bi zbog kavitacije i komprimovanja vazduha moglo dovesti do velikog ošte enja ili pucanja cjevovoda. Na osnovu rezultata prora una hidrauli nog udara dobijaju se dimenzije pritisnog cjevovoda, vrši se provjera rezervi vode iz vodostana i definiše se pouzdani režim zaustavljanja i puštanja u pogon turbina. Klju ni doprinos pri izu avanju pojave hidrauli kog udara dali su u svojim radovima N. Žukovski i L. Allievi 1925.godine. Na osnovu formule Žukovskog, pri trenutnom potpunom zatvaranju, porast pritiska na zatvara u dostiže vrijednost: p = ρv0a (Pa), pri emu je v o (m/s)- brzina vode u pritisnom cjevovodu prije zaustavljanja strujnog toka, ρ (kg/m 3 )- gustina vode a a (m/s)- brzina širenja elasti nih poreme aja, odnosno brzina zvuka u fluidu [28]. Zbog 3. Njutnovog zakona kretanja i jedna ine kontinuiteta, stvara se impuls sile i primjenjuju se za usporenje fluida [29]. Osim vodostana, pritisni cjevovodi se od hidrauli kog udara mogu štititi i sa [30]: 1) pove anjem pre nika cjevovoda jer se uti e na smanjenje brzine, a time i na veli inu hidrauli nog udara; 2) izborom materijala od kojeg se izgra uje cjevovod, jer veli ina porasta pritiska kod hidrauli kog udara p (Pa) zavisi od brzine širenja elasti nih poreme aja a (m/s), a koji su u funkciji 43

52 Hidroenergija materijala od kojeg je napravljen cjevovod. Tako elasti ni cjevovod smanjuje brzinu širenja poreme aja, pa je za eli ni cjevovod uobi ajena brzina širenja elasti nih poreme aja a 1000 m/s, dok plasti ni cjevovodi još više smanjuju brzinu širenja poreme aja, kod kojih je a 300 m/s; 3) postepenim zatvaranjem ili otvaranjem zasuna ugra enog ispred turbine ime se smanjuju promjene brzine; 4) ozra ivanjem, tj. ubrizgavanjem vazduha u cjevovod, kojeg treba ponovnog ubrizgavanja odstraniti iz cjevovoda; kao i sa 5) ugradnjom odušnog ventila. Brzina širenja elasti nih poreme aja, odnosno zvuka a ( m/s) u fluidu, odre uje se preko formule: K / ρ a =, gdje je: a - brzina širenja [ 1+ ( K / E)( D / δ )] hidrauli nog udara; K modul elasti nosti (stišljivosti) vode; ρ - gustina vode; E modul elasti nosti materijala cijevi; D unutrašnji pre nik cijevi i δ - debljina zida cijevi VODOSTAN Vodostan se gradi u slu aju da je dovodni tunel duga ak, koji može biti od 10 do 20 km, tako da se pri pokretanju hidroelektrane ogromna masa vode ne može u kratkom roku, od sekundi, pokrenuti i dobiti brzinu da bi se na vodnim turbinama stvorila dovoljna snaga za proizvodnju elektri ne energije. Da bi se umanjilo neželjeno djelovanje inertnosti vode, kao i da bi se izbjegli uticaji koji nastaju zbog njene stišljivosti, a koji se javljaju pri Slika 2.43 Vodostan hidrauli nom udaru, u blizini turbine se grade vodostani, slika 2.43 i Prema tome, osnovni zadatak vodostana je da se prilikom puštanja turbine u pogon obezbijedi dio vode prije nego što ona pote e u dovoljnoj koli ini kroz dovodni tunel, kao i da prihvati dio vode koja se kre e dovodnim tunelom pri zaustavljanju turbina, tako da se na taj na in izbjegava nagla promjena brzine u dovodnom tunelu i pojava hidrauli nog udara [24]. Slika 2.44 Vodostan Kada turbina radi u jednolikom režimu, odnosno kvazistacionarnom, tada vodostan predstavlja pijezometar. Nivo vode u vodostanu odgovara visini pijezometarske linije nezavisno od površine popre nog presjeka vodostana. Promjena režima rada turbine se prvo osje a u pritisnom cjevovodu, gdje se pojavljuje hidrauli ni udar. Vodostan spre ava širenje 44

53 De an Ivanovi odnosno napredovanje hidrauli nog u dovodni tunel, a to je i glavna funkcija vodostana. Time je vodosta znatno smanjio dužinu pritisnog cjevovoda, pa je i veli ina hidrauli kog udara u njemu manja, pošto se smanjenje protoka može svesti kao na neko "postupno zatvaranje"[26]. Prilikom ulaska turbine u pogon, a to zna i da se protok vode pojavljuje, dolazi do pražnjenja vodostana, a time i smanjenja pritiska vode na kraju dovodnog tunela što izaziva pokretanje vode u njemu. Voda se u tunelu ubrzava do te mjere da je protok u dovodnom tunelu ve i od protoka prema turbinama, pa nivo vode u vodostanu po inje da raste što smanjuje pritisak na kraju tunela, a time i protok. Uslijed toga se uspostavlja oscilacija mase vode u sistemu akumulacija - dovodni tunel - vodostan. Oscilacije se smanjuju zbog viskoznosti vode i trenja koje se pritom javlja. Jedan od zadataka hidrauli kog prora una je odre ivanje najniže kote u vodostanu da nebi došlo do uvla enja vazduha u dovodni i pritisni tunel. Prilikom dimenzionisanja vodostana treba voditi ra una i o njegovoj stabilnosti [27]. I prilikom zaustavljanja rada turbina deševa se sli na pojava, tako da se nivo vode u vodostanu zaustavlja na nivo vode u akumulacionom jezeru. Raspon oscilacija nivoa vode u vodostanu pri naglom optere enju ili rastere enju turbine je veliki, pa su zato i potrebne velike dimenzije vodostana. Pošto su vodostani uglavnom podzemni objekti, njihova izgradnja je skupa, tako da se mnogo vodi ra una u nalaženju optimalnog oblika vodostana, koji bi uz najmanje uloženih sredstava zadovoljio kriterij stabilnosti. Postoji nekoliko osnovnih tipova vodostana [30]: 1) Cilindri ni vodostan; 2) Vodostan sa gornjim proširenjem; 3) Raš lanjeni vodostan; 4) Vodostan sa prigušiva em; 5) Diferencijalni vodostan; 6) Vodostan na Venturi prolazu; 7) Vodostan sa vazdušnim prigušiva em; 8) Dvojni vodostan. 1) Cilindri ni vodostan ima velike dimenzije, ali je zbog jednostavnosti ovaj vodostan teorijski najbolje razra en, i ovaj tip se koristi kod idejnih projekata, dok se na izvedenim objektima ne susre e esto, pošto formiraju relativno sporo prigušenje oscilacija vodenih masa, pa je potrebno veliko iskopavanje materijala za njihovu izgradnju. Naj eš e se primjenjuju tamo gdje postoji opasnost od progresivnih oscilacija, tako da je onda potrebna velika površina popre nog presjeka. 2) Vodostan sa gornjim proširenjem ima za cilj da smanji maksimalno podizanje nivoa vode u njemu, tako da dovodni tunel bude izložen manjim optere enjima nego u slu aju cilindri nog vodostana. 3) Raš lanjeni vodostan smanjuje maksimalne i minimalne nivoe vode u njemu, ime se štedi prostor vodostana, smanjuje maksimalni nivo vode i osigurava od uvla enja vazduha u cjevovode. Danas se naj eš e susre e ovaj tip vodostana. 45

54 Hidroenergija 4) Vodostan sa prigušiva em, u odnosu na cilindri ni vodostan smanjuje maksimalno dizanje vode zbog rasipanja energije toka na prigušiva u. Me utim, kod pražnjenja vodostana prigušiva predstavlja nedostatak, jer smanjuje pritiske u cjevovodu, i zato ga je potrebno oblikovati asimetri no kako bi u smjeru pražnjenja pružao što manji otpor. 5) Diferencijalni vodostan ima oscilacije u užem oknu sli ne porastu pritiska kod tipa vodostana sa prigušiva em. 6) Vodostan na Venturi prolazu koristi se na malim padovima i kratkim dovodnim tunelima, gdje se nastoji iskoristiti uticaj pove ane brzine u suženju na stabilnost vodostana. Ovaj tip je prethodno potrebno ispitati na hidrauli kom modelu. 7) Vodostan sa vazdušnim prigušiva em zasniva se na injenici da sabijeni vazduh pri podizanju nivoa vode u vodostanu usporava podizanje vode, pa kao vodostan sa ve im popre nim presjekom. 8) Dvojni vodostan se koristi da bi se pove ao njegov popre ni presjek. Ako je dovodni tunel vrlo duga ak može se sagraditi i sistem vodostana, pri emu tada treba posvetiti posebnu pažnju rezonanciji sistema. Svaka hidroelektrana mora pri puštanju u pogon biti sinhronizovana na mrežu, tj. mora proizvoditi struju odre ene frekvencije, i to naj eš e 50 Hz ili 60 Hz, a odstupanja smiju biti reda veli ini ±0,2 %. Pošto elektroenegetski sistem ne dozvoljava promjene frekvencije, u sustavu turbine i elektri nog generatora mora biti ugra en regulator protoka koji pomaže da se zadovolji taj uslov. Ustvar regulator protoka na osnovu podataka o promjeni protoka vode ili njenog pritiska mijenja položaj lopatica sprovodnog kola, a ponekad i lopatica turbine, tako da bi se prilagodili protok i pad H, pa da snaga ostane konstantna, jer je jasno da se pri smanjenju pada H mora pove ati protok vode Q i obrnuto. Pri uklju ivanju turbine u pogon prazni se vodostan i u njemu nivo vode opada ime se smanjuje pad H na turbini. Da bi snaga ostala ista, regulator pove ava protok, ime se dodatno pove ava pražnjenje vodostana. Obrnuti ali sli an proces odvija kod zaustavljanja turbine, i tada regulator smanjuje protok i pove ava oscilaciju, odnosno nivo vode u vodostanu. Prema tome, regulator ima tendenciju pove anja, amplificiranja oscilacija vode u vodostanu. U slu aju da je vodostan malog popre nog presjeka, pri emu su oscilacije vode u vodostanu prili no velike, kao i da je vodostan sa relativno malim gubicima koji slabo prigušuju oscilacije, tada uticaj regulatora može biti ve i od uticaja trenja što prouzrokuje pojavu progresivnih oscilacija. Vodostan, dakle, mora biti tako dimenzionisan da se oscilacije vode u njemu u svakom slu aju amortizuju. Stabilnost vodostana se obi no ispituje na najnepovoljniji slu aj, a naj eš e su to uslovi rada kad je akumulaciono jezero, tj. gornja voda, na najnižoj koti, 46

55 De an Ivanovi zatim, kada je kota donje vode najviša, kad je tunel glatak i kad je manevar parcijalnog pove anja snage od 50% - 100% [31]. Izbor oblika i dimenzija vodostana jedan je od složenijih problema u hidroenergetici i rješavaju ga zajedni ki projektant i isporu ilac turbine, jer od toga zavisi pravilan rad hidroelektrane. Prora unate vrijednosti provjeravaju se za složenije slu ajeve na hidrauli kom modelu. Ako je i odvod pod pritiskom, u prora unu treba onda razmotriti spregnuti rad dovoda i odvoda. Na ulazu u pritisnu cijev, koji može biti u vodostanu ili neposredno iza njega, postavlja se zatvara. Ako je u vodostanu, onda je on tablastog tipa i sa mehanizmom za podizanje, koji se nalazi iznad maksimalnog nivoa vode u vodostanui. Kada se pove a brzina vode, zatvara se zatvara automatski i brzo, a sve zbog pucanja pritisne cijevi. Iza tablastog zatvara a postavlja se cijev za odzra ivanje pritisne cijevi, a u zatvara u otvor za njeno punjenje. Pošto vodostan mora biti u donjem dijelu otvoren, gornji dio ima izlaz s pristupnim tunelom. Ako ima više pritisnih cijevi, teško je smjestiti sve zatvara e u vodostan, i zbog toga se postavljaju leptirasti zatvara i u pritisne cijevi, smješteni u posebnoj zasunskoj komori ili neki drugi tip cijevnih zasuna. esto se ugra uju dva zatvara a zbog sigurnosti PODZEMNA MAŠINSKA ZGRADA Podzemne mašinske zgrade na hidroelektranama po ele su se sve više graditi tek poslije Drugog svjetskog rata, ali ipak još uvijek u upotrebi ima više nadzemnih mašinskih zgrada. Izbor položaja podzemne mašinske zgrade spada u dio planiranja položaja cijele hidroelektrane, a prethode mu dugotrajna i složena istraživanja, kao i ekonomske analize. Za podzemne mašinske zgrade potrebno je da stijene budu relativno povoljnih elasti nih svojstava, kao i da se ne o ekuje ve i priliv podzemnih voda. Pri odre ivanju položaja mašinske zgrade potrebno je izabrati povoljnu lokaciju s obzirom na pad slojeva, utvrditi elasti ne osobine stijena, diskontinuitete i naprezanja u pojedinim fazama kopanja i nakon dovršenja iskopa. Metoda kona nih elemenata, uz prethodna i naknadna mjerenja, može pomo i da se riješe svi problemi stabilnosti. Dimenzije mašinske zgrade zavise od broja vodnih turbina i njihovoj snazi, od smještaja transformatora i razvoda nižeg napona u mašinskoj zgradi i izvan nje. Na širinu mašinske zgrade uti e i položaj dovodne pritisne cijevi, kao i položaj i vrsta predturbinskog zatvara a. Kod nadzemne mašinske zgrade, transformatori su smješteni ispred ili iza nje, a rasklopna postrojenja nižeg napona u posebnoj zgradi, dok je komanda uvijek u produženju glavne zgrade. Me utim, kad je mašinska zgrada podzemna, transformatori su smješteni u glavnom predvorju ili u posebnoj šupljini, dok predturbinski zatvara i mogu biti unutar mašinske zgrade ili u posebnoj šupljini, 47

56 Hidroenergija paralelno dužoj osi mašinske zgrade. Isto tako, da se raspon mašinske zgrade ne bi morao pove avati, a da zatvara i ipak ostanu unutar zgrade, pritisni cjevovod do turbine se dovodi i pod manjim uglom od 90º prema dužoj osi mašinske zgrade. Nosivost glavne dizalice u mašinskoj zgradi zavisi od težine rotora, a visina od poda do dizalice od potrebnog prostora za njegovo prenošenje prilikom ugradnje Slika 2.45 Mosna dizalica unutar podzemne mašinske zgrade i popravke, slika Mašinska zgrada ima sistem drenaže, koji obezbe uje zgradu od poplava, tako da se bunar za drenažne pumpe nalazi obi no izme u turbina. Kabal za vezu s dalekovodima vodi se kroz posebni tunel, koji služi i za ventilaciju ili kao izlaz u vanrednim okolnostima za nuždu. Najve a podzemna mašinska zgrada svijetu je u hidroelektrani Robert Bourassa,Quebec, Kanada, sa instalisanom snagom od MW, i sa 16 vodnih turbina, a pad vode je 137,2 m. Hidroelektrana Churchill Falls, Newfoundland i Labrador, Kanada ima drugu najve u podzemnu mašinsku zgrad u svijetu, sa instalisanom snagom od 5428 MW, i sa 11 vodnih turbina. Mašinska zgrada je duga ka 232 metra, 45 metara visoka, 19 metara široka i smještena 330 metara ispod nivoa tla. Dva dovodna tunela su duga 1692 metra svaki, a pad vode je 312,4 metra BRANA Brana je hidrotehni ka gra evina koja pregra uje vodotok ili drugu vodenu masu radi zadržavanja nivoa vode na potrebnoj visini. Služi za stvaranje akumulacija zbog kontrolisanog ispuštanja vode ili retencija za privremeno zadržavanje vode, zatim za zahvat vode radi vodosnabdijevanja ili navodnjavanja, kao i u druge svrhe. Procjenjuje se da danas ima oko brana širom svijeta, od toga preko 15 m visine [32] VRSTE BRANA Visina podignutog nivoa vode zove se uspor. Brane mogu biti stalne, pokretne ili mješovite. Stalne brane su nepomi ne masivne gra evine, koje ne mogu regulisati vodostaj uzvodno od brane, a višak vode se prelijeva preko krune brane. Brane mogu biti nasute, i to od kamena, što je danas rijetko ili armirano-betonske. Ukoliko se vodostaj ne može regulisati, onda se podižu stalne brane uglavnom samo u gornjem toku planinskih vodotoka ili u duboko usje enim koritima, gdje dizanje vodostaja kod prelijevanja velikih voda ne prouzrokuje štete na obalnom podru ju. Stalne se brane grade do visine od približno 15 m, i ako im je visina ve a ili ako zatvaraju dolinu u brdovitom terenu, zovu se dolinske pregrade, a ako se grade od zemljanog nasipa, tada se zovu usporni nasipi. Brane koje su visoke do 15 m nazivaju se niske brane, a 48

57 De an Ivanovi više od toga su visoke. Pokretne brane sastoje se od pokretnih konstrukcija, tzv. zatvara nica, i njihovim dizanjem ili spuštanjem otvara se potrebni proticajni presjek vodotoka, tako da se reguliše proticanje vode kroz branu, a time i vodostaj uzvodno od brane. Prema me unarodnom standardu (engl. International Commission on Large Dams, ICOLD), u visoke brane spadaju sve one brane ija visina od temelja do krune iznosi više od 15 m, kao i one više od 10 m koje imaju dužinu po kruni ve u od 500 m, ve e akumulaciono jezero od m 3, ili ako preko njih treba propuštati koli inu vode ve u od 2000 m 3 /s. Sve ostale brane su niske brane [33]. Niska brana uglavnom ima zadatak da skre e vodni tok ili da podiže nivo vode rijeke i na taj na in omogu ava plovidbu. Stvara i koncentraciju pada, što omogu ava iskoriš enje vodne snage. Može se tako e iskoristiti i za vodene sportove, može služiti i za zadržavanje nanosa, zati za sprje avanje erozije itd. Niske brane služe i za skretanje vode u cilju napajanja kanala za navodnjavanje polja, kanala za snabdijevanje industrijskih postrojenja, plovnih kanala, kao i tunela koji odvode vodu do hidroelektrana. Visoke brane, me utim, služe za stvaranje akumulacionog ili Slika 2.46 Brana visoka 221m vješta kog jezera koje se može upotrijebiti za pogon hidroelektrane, navodnjavanje ili dužu plovidbu, slika 2.46 Prema materijalu od kojeg se grade brane razlikuju se masivne brane od kamena ili od betona i armiranog betona, kao i nasute brane od zemlje, pijeska, šljunka ili kamena. Na masivnoj pregradi razlikuju se uzvodni dio izdignut iznad korita odnosno tijelo brane, koje se suprostavlja pritisku vode, i nizvodni dio, obi no u obliku plo e položene po koritu, a zove se slapište. Prednji uzvodni dio, koji je uglavnom vertikalan, produžuje se do stjenovite ili nepropusne podloge obala rijeke, a tako isto se i završava Na isti na in se završava i prag slapišta na nizvodnom dijelu. Danas se masivne brane grade isklju ivo od betona. Kako je glavni problem u vezi s ovim branama propuštanje velike koli ine vode, to se ostavljaju proto na polja ili prelivi u tijelu brane, na kojima se smještaju pokretne ustave ili zatvara nice. Od topografskih i hidroloških uslova zavise visine ustava, širina i broj proto nih polja, i one mogu obuhvatati cijelu dužinu brane ili samo jedan dio. Širina jednog polja može iznositi i do 50 m, i to kod valjkastog tipa ustava, dok kod drugih ona obi no ne prelazi 30 m, i najviše ustave ne prelaze visinu od 20 m. Nasute brane se dijele u dvije grupe: zemljane brane od homogenog materijala, i zemljane i kamene brane od nehomogenog materijala, grade se ili na stijeni ili na tlu zemlje. Materijal od kojeg se grade, u izvjesnoj mjeri propušta vodu, tako da postoji procje ivanje iz gornje u donju vodu. Zato je brana do depresijske linije zasi ena vodom, a iznad te linije diže se kapilarna voda. Ako je temeljni 49

58 Hidroenergija sloj nepropustan, onda voda izlazi na nizvodnoj strani kao izvor, koji se uklanja postavljanjem drenaža. Prema na inu suprostavljanja pritisku vode brane mogu biti gravitacijske, lu ne i ras lanjene. Svojom težinom gravitacijske brane, slika 2.47, se odupiru optere enju od vode i drugih sila. Na branu djeluju spoljašnje sile kao što je pritisak kojeg stvara voda na uzvodnoj strani brane, zatim uzgonska sila vode na spoju izme u temelja i tla, pritisak leda u akumulacionom jezeru i to Slika 2.47 Gravitacijska brana naro ito u u hladnim predjelima, pritisak zemlje, kao i pritisak istaloženog nanosa, Slika 2.48 Lucna brana odnosno mulja. Od unutrašnjih sila na branu djeluje sopstvena težina, pritisak vode u porama ili kapilarama, zatim sile koje nastaju uslijed promjene temperature betona, kao i sile uslijed skupljanja betona, tj. zaostala naprezanja. Dotle, lu ne brane prestavljaju zapravo zakrivljene plo e, preko kojih se optere enje prenosi na temelje u dnu i na bokove, slika Ukoliko imaju i neke elemente gravitacijske brane, onda se one zovu lu nogravitacijske brane, a ako su dio rotacijskih tijela raznog oblika, zovu se ljuskaste ili kupolne brane., Lu ne brane su nastale sa idejom da bi se uštedilo na troškovima materijala i vremenu izgradnje, i zbog smanjenih dimenzija one imaju mnogo ve e deformacije, tako da je za njih od velikog zna aja i pitanje vrsto e betona. Ras lanjene brane su obi no stubovi ili potpore na koje se oslanjaju plo e ili svodovi, slika 2.49, tako da svaki od stubova mora na tlo prenositi optere enje jednog polja. Ideja je isto tako ušteda na troškovima Slika 2.49 Rašclanjena brana sa lukovima materijala i vremenu izgradnje, i to onda kada se ne mogu izvesti lu ne brane. Uglavnom se razlikuju tri tipa brana s me usobno odijeljenim elementima: olakšane gravitacijske brane, nagnute plo e one na potpore i lukovi oslonjeni na potpore IZGRADNJA BRANE Glavni uslov za bezbjednost brane je prikladno izvo enje njenog temelja, na mjestu koje je po geomorfološkim, litološkim i strukturnim uslovima pogodno za prihvatanje konstrukcije brane. Zavisno od tipa brane, teren treba da ima odre ena svojstva i to sa gledišta stabilnosti, postojanosti i nepropusnosti, i 50

59 De an Ivanovi utoliko bolja ukoliko su ve a optere enja koja e na branu djelovati. Potreban je tim stru njaka razli itih profila, s obzirom da prethodna istraživanja moraju da obuhvate detaljna geološka snimanja, bušenja, istraživanja geotehni kih osobina stijena, kao i hidrologije terena. Studije se ne smiju vršiti na brzinu, pa je za njih potrebno ak i nekoliko godina. Isto tako studije i istraživanja moraju obuhvatati i cijelo podru je budu eg akumulacionog jezera. Sva ova ispitivanja najviše su važna za pravilno odre ivanje potrebne visine brane, nepropusnosti podru ja kao i potrebnih tehni kih mjera obezbe enja. Tako e, studije moraju obuhvatiti i svu ekonomsku problematiku u vezi sa potapanjem podru ja i preseljenjem stanovništva, kulturnih spomenika itd. Masivne brane obi no se grade u dvije ili više faza. Posebnim zagatom najprije se pregradi korito rijeke na onoj strani gdje su predvi eni ispusti, a kada se ovi izgrade i opreme, pušta se voda preko njih, a zatim se novim zagatom pregradi preostali dio rijeke. Visina zagata zavisi od trajanja izgradnje brane i od hidroloških karakteristika rijeke, i obi no se odre uje tako da se za vrijeme izgradnje ne dozvoli plavljenje iskopa. Me utim, za visoke brane takav postupak nije mogu na ve im rijekama, tako da se problem rješava što se cijelo korito rijeke pregradi pomo u uzvodne i nizvodne pomo ne brane, na dovoljnoj udaljenosti od gra evinskog iskopa, a voda se posebnim obilaznim tunelima sprovodi izvan rije nog korita. Brana se može betonirati od rije nog šljunka ili od drobljenog kamena odre ene granulacije, koji mora biti prethodno dobro ispitan. Organizacija radova na betoniranju prestavlja složen problem koji treba dobro prou iti, a naro ito za visoke brane. Pri ugradnji betona pojavljuje se i termi ki problem, jer temperature dostižu 40 ºC, a ponekad i više, pa se mora kontrolisati termoelementima. Betoniranje blokova brane vrši se naizmjeni no po slojevima visine 1,5 do 2 m. Za sabijanje betona potrebno je koristiti vibratore sa velikim brojem vibracija, do (min 1 ). Izme u horizontalnih slojeva nastaju radni prekidi, jer se novi sloj može betonirati tek poslije 3 do 5 dana, jer je potrebno ohladiti raniji sloj. Ako su, pak, radovi užurbani, suvišna toplota mora se odvestii pomo u cijevi, koje se polažu na svaki horizontalni sloj kroz koje te e hladna voda. Zbog bolje nepropusnosti brane zahtijeva se velika gustina betona, a za lu ne brane traži se i velika vrsto a DODATNI ELEMENTI BRANE Prilikon planiranja izgradnji brana potrebno je predvidjeti brodske prevodnice, riblje staze, korita za propuštanje drva i drugo. Brodske prevodnice sastoje se od jedne ili dvije brodske komore, što zavisi od prometa na rijeci. To su obi no vrlo skupi dijelovi brane, posebno kada se radi o platformi za dizanje brodova. Potrebne su i riblje staze da bi se ribe kretale uzvodno ili nizvodno. Obi no se sastoje od niza bazena, iji se nivoi vode postupno snižavaju iz gornje u donju vodu, a razlika je u visini najviše 4 metra. Brodska prevodnica je gra evina koja služi za izravnavanje plovnog puta, odnosno omogu ava brodovima da svladaju razlikue u nivoima vode, koja nastaje zbog prirodnih ili 51

60 Hidroenergija vješa kih prepreka na vodnom putu. Kada je na plovnom putu potrebno dignuti ili spustiti plovilo za visinu plovne stepenice, to se ostvaruje pomo u brodske prevodnice, brodske platforme za dizanje ili brodske uspinja e. Granica primjene brodske prevodnice je visinska razlika od 20 do 25 m na zemljanom tlu, odnosno 30 do 35 m na stjenovitom tlu. Nizom brodskih prevodnica se može savladati Slika 2.50 Rotirajuca brodska prevodnica visinska razlika od 40 do 60 m, dok je za visinske razlike ve e od 70 m naj eš e opravdana upotreba brodske platforme za dizanje, slika Riblja staza je hidrotehni ka gra evina koja obilazi brane, ustave i brodske prevodnice, i omogu ava ribama koje se sele, da stignu do mjesta za mriještenje. Do druge strane pregrade ribe obi no prelaze riblje staze plivanjem ili preskakivanjem, i zato brzina vode mora biti dovoljna da ribe mogu pre i prepreke, ali ne smije biti ni prevelika da se riba ne bi izmorila, te je esto postavljanje odmarališta na ribljim stazama RUŠENJE I OSMATRANJE BRANE U Evropi i Sjevernoj Africi do godine srušilo se 12 brana, a u isto vrijeme u Americi oko 110 brana, od ega je 65% bilo nasutih. Sva rušenja obi no prate ve e ili manje nesre e. Prema jednoj statistici uzrok rušenja je u 40% slu ajeva bio lom u temelju, u 23 % slu ajeva nedovoljan kapacitet preliva, u 12% slu ajeva nedovoljne dimenzije brane, u 10% slu ajeva neravnomjerno slijeganje, a u 15% neki drugi uzrok. Rušenje brane se može sprije iti ako se pravovremenim posmatranjem deformacija utvrde poreme aji tako da se onda može prisilno isprazniti jezero i time ublažiti nesre a ili ak sa uvati brana, ukoliko uklone uzroci. Mjerenje deformacija visokih objekata i hidroelektrana vrši se sa ciljem obezbje ivanja od mogu ih iznenadnih i nepredvidljivih pojava na objektima, tj. na brani i mašinskoj zgradi, kao i zaštita okoline i nizvodnog podru ja od šteta i katastrofa. Zbog racionalnog održavanja objekata u toku koriš enja, geodetsko-tehni kim pra enjem prikupljaju se potrebni podaci pomo u najpreciznijih geodetskih mjerenja. Važno je da se na vrijeme zabilježe svi doga aji i stanja koji bi mogli uticati na sigurnost objekata. Geodetska mjerenja pomjeraja obuhvataju sva mjerenja u svrhu odre ivanja promjene oblika objekta ili tla pod uticajem spoljašnjih ili unutrašnjih sila. Objekt se idealizira odre enim brojem ta aka, iji se položaj odre uje u odnosu na referentnu ili osnovnu geodetsku osnovu izvan podru ja mogu ih pomjeraja. Zatim se geodetskim metodama odre uju promjene položaja pojedinih ta aka na objektu, a deformacija se može utvrditi na osnovu rezultata mjerenja pomjeraja. Stvarno 52

61 De an Ivanovi ponašanje objekta može se utvrditi samo dobro osmišljenim i kvalitetno izvedenim posmatranjima, kao i stru nom obradom podataka VELIKE HIDROELEKTRANE Uticaji koje velike hidroelektrane mogu imati na ekosistem zavise od: 1. Veli ine i brzine protoka rijeke na kojoj je hidroelektrana smještena, 2. Klimatskih uslova i oblika sredine prije izgradnje hidroelektrane, 3. Vrste, veli ine i konstrukcija elektrane i na ina na koji je pogonski vo ena, 4. Ukoliko postoji više od jedne elektrana na istoj rijeci, i ako nijesu relativno blizu jedna drugoj, mogu e je da uticaji na ekosistem jedne elektrane zavise od uticaja druge elektrane. Tri najve e hidroelektrane u svijetu su: Tri klisure (Kina), Itaipu (Brazil/Paragvaj) i Huverova (SAD). Hidroelektrana Tri klisure u Kini, kao najve a hidroelektrana u svijetu, puštena je u pogon 2009.godine., slija Ona e zadovoljiti oko 10% kineskog konzuma, i sa 26 velikih turbina proizvodi e 85 milijardi kilovatsati struje, što je kao i 18 srednjih Slika Hidroelektrana Tri klisure u Kini nuklearnih elektrana. Obuzda e se Jangce, tre a najduža rijeka svijeta, poslije Amazona i Nila, tako da e se smanjiti katastrofalne poplave u kojima je samo u 20. vijeku stradalo više od pola milijona ljudi. Visina brane e biti 185 m, dužina 2309 m, dok e na vrhu biti široka 18 m, a uz dno 124 m. Akumulaciono jezero e biti duga ko više od 600 kilometara. Samim tim plovnost rijeke Jangce e se pove ati, ista hidroenergija e smanjiti upotrebu ne istog fosilnog goriva, tj. uglja, kojim se zaga uju šume i stanovništvo ne samo u Kini nego i u susjednim državama, a olakša e se slanje vode s juga na sušni srednji i sjeverni dio Kine. Poplavljeno je 29 km 2, potopljena su dva velika i 116 manjih gradova, i raseljeno je više od milijon stanovnika, tako da e u vješta kom jezeru završiti sva prljavština potopljenih gradova, fabrika i bolnica, kao i više od tri hiljade industrijskih i rudarskih preduze a. Hidroelektrana Itaipu se nalazi na rijeci Parana, tj. na granici Brazila i Paragvaja, i ona je najve a hidroelektrana na svijetu, i to je zajedni ki poduhvat Brazila i Paragvaja, slika Instalisana snaga hidroelektrane je 14 GW, sa 20 generatora od po 700 MW. Rekord u proizvodnji struje je postignut 2000.god. 53

62 Hidroenergija kada je proizvedeno 93,4 milijarde kilovatsati energije, a to je 93% ukupne potrošnje u Paragvaju i 20% ukupne potrošnje elektri ne energije u Brazilu. Sporazum o izgradnji brane i hidroelektrane je zaklju en 1973., vješta ko jezero je formirano 1982., prvi generatori sa radom su po eli 1984., a posljednji i 2007.godine. Po me udržavnom ugovoru, nije dozvoljeno puštati u rad više od 18 turbina istovremeno. Ameri ko udruženje gra evinskih inženjera je godine proglasilo branu Itaipu za jedno od Sedam uda modernog svijeta. Za izgradnju brane upotrijebljeno je 50 milijona tona zemlje i kamena, a od betona upotrijebljenog za izradu brane bilo bi mogu e izgraditi 210 fudbalskih stadiona veli ine Marakane u Brazilu. Od elika koji je upotrijebljen za izgradnju, moglo bi se napraviti 380 Ajfelovih tornjeva u Parizu, dok je iskopana koli ina zemlje 8,53 puta ve a od one iskopane pri gradnji Eurotunela. Na izgradnji hidroelektrane je radilo oko ljudi. Dužina brane je 7234,5 m, a visina 225 m, dok je maksimalni protok vode m 3 /s. Slika Hidroelektrana Itaipu Prošlo je sedamdesetpet godina otkako je izgra ena Huverova brana (SAD), i nije više najviša, niti najve a ni najsnažnija u smislu energije koju daje njena elektrana, slika Huverova brana se nalazi u Crnom kanjonu ( Black Canyon), na granici izme u Nevade i Arizone, oko 50 km jugoisto no od Las Vegasa. Hidroelektrana ispod Huverove (Hoover) brane nije više najve a, ni u svijetu niti u Americi, ali sa svojih 17 generatora, proizvodi još uvijek energije koju bi dale dvije nuklearne elektra ne oko MW. Akumulacijsko jezero je najve e vješta ko jezero u SAD, duga ko je 177 km, Slika Huverova brana najve e dubine 152 m, 3 kapaciteta 35 milijardi m vode, što je ekvivalent dvogodišnjeg prosje nog protoka itave rijeke Kolorado. 54

63 De an Ivanovi REVERZIBILNE HIDROELEKTRANE Dok kod konvencionalnih hidroelektrana voda iz akumulacijskog jezera proti e kroz postrojenje i nastavlja dalje svojim prirodnim tokom, kod drugih j vrsta hidroelektrana, tzv. reverzibilnih hidroelektrana (pumped-storage plant), postoje dva skladišta vodene mase, i to: 1. gornja akumulacija koja je ista kao i akumulacija klasi nih hidroelektrana, tako da se izgradnjom brane osigurava akumulacija vode, koja proti e kroz postrojenje i proizvodi elektri nu energiju; 2.donja Slika 2.54 Reverzibilna hidroelektrana akumulacija u koju se voda koja izlazi iz hidroelektrane ulijeva, umjesto da se vra a u osnovni tok rijeke, slika 2.54., [34]. U razdoblju niske potražnje elektri ne energije voda se pumpa iz nižeg u viši rezervoar vode, dok u razdoblju više potražnje za elektri nom energijom voda se propušta, kroz turbinu natrag u niži rezervoar i pritom se proizvodi elektri na struja, slika 2.55, na kojoj je sa 1 ozna en rad pumpe, a sa 2 rad turbine. Reverzibilna turbina-generator ponaša se i kao pumpa i kao turbina. Obi no se koristi Francis turbina. 1 Sati Slika 2.55 Utrošena i generisana snaga RHE 2 Postoje postrojenja koja koriste napuštene rudnike kao niže rezervoa re, ali u ve ini slu ajeva su to prirod ni rezervoari ili ak vješta ki tj. iskopani rezervoari. Uzimaju i u obzir gubitke uslijed isparavanja akumulirane vode, kao i gubitke usli jed pretvaranja, približno 70% do 85% elektri ne energije koja se koristi za pumpanje vode u viši rezervoar može biti ponovo dobije no. Ova tehnologija je danas najis plativija u smislu uvanja velike koli ine elektri ne energije, ali investicijski troškovi i prisutnost problema s obzirom na razliku u visini izme u ova dva rezervoara su glavni faktori pri odlu ivanju o izgradnji. Niska gustina energije pumpanog gornjeg rezervoara iziskuje ili veliku koli inu vode ili veliku razliku u visini nivoa vode izme u dva rezervoara. Pošto 1m 3 vode, ija masa iznosi 1000 kg, na visini od naprimjer 100 m u odnosu na referentni nivo ima potencijalnu energiju od oko 0,272 KWh, to jedini na in da se stvori zna ajnija 55

64 Hidroenergija koli ina elektri ne energije, je taj da postoji velika koli ina vode na što višem nivou iznad donjeg rezervoara. Na nekim podru jima ovo se pojavljuje prirodno, a na mjestima gdje toga nema ovjek svojim djelovanjem to omogu ava. Iako su investicijski troškovi za izgradnju rezervoara sa vodom prili no visoki, reverzibilni sistem je vrlo ekonomi an jer poravnava razlike u optere enju mreže, dozvoljavaju i termoelektranama, nuklearnim elektranama i obnovljivim izvorima energije da snabdijevaju sistem energijom. Ovo ustvari omogu ava da sistem radi s vršnom iskoristivoš u, pri emu se izbjegava rad na makimalnom optere enju gore navedenih elektrana, ime se ostvaruju velike uštede sve skupljih goriva. Reverzibilni sistemi sa gornjim pumpnim rezervoarom (pumped-storage) pomažu kontrolisanje frekvencije elektri ne mreže i omogu avaju stvaranje zaliha. Tako naprimjer, termoelektrane znatno teže podnose iznenadne promjene za potražnjom elektri ne energije, jer ujedno mogu prouzrokovati nestabilnost frekvencije i napona mreže, dok se reverzibilne elektrane, kao i ostale hidroelektrane, veoma dobro nose sa promjenama optere enja. Reverzibilna hidroelektrana prvi put je izvedena godine u Italiji i Švajcarskoj, dok su se reverzibilne turbine pojavile tek godine, koje mogu raditi i u režimu turbina-generator i kao pumpa pogonjena elektromotorom. Posljednja tehnologija na ovom polju su mašine sa promjenjivom brzinom obrtanja zbog ve e energetske efikasnosti, i one proizvode elektri nu energiju u sinhronizaciji sa frekvencijom mreže, dok kao pumpa djeluju asinhrono. Danas se reverzibilne hidroelektrane sa sistemom pumpnog rezervoara koriste kako bi se izjedna io kolebljivi izlaz (output) intermitentnih izvora energije. Pumpni rezervoar apsorbuje optere enje u razdobljima visoke proizvodnje energije i niske potražnje, jer tada cijene elektri ne energije mogu biti blizu nule ili povremeno ak i negativne. To zapravo pokazuje da postoji više elektri ne energije nego što optere enje može apsorbovati. Naime, to se doga a samo zbog vjetra, jer što se više struje dobija iz vjetra, mogu nost za tako nešto raste. Elektrane sa pumpnim rezervoarom e postati posebno važni kao balans za proizvodnju elektri ne struje iz fotonaponskih (PV) obnovljivih izvora. Evropska unija je godine imala MW instalisane snage u obliku reverzibilnih hidroelektrana od ukupno MW instalisane snage svih hidroelektrana, što je 5,5% od ukupnog kapaciteta proizvodnje u EU, dok su SAD u godini imale oko MW instalisanih u obliku reverzibilnih hidroelektrana, tj. 2,7% od ukupne instalisane snage. Danas se ispituje upotreba rudnika soli u svrhu podzemnih rezervoara koji bi služili kao niže brane i pored nepoželjnog otapanja soli što može predstavljati problem. Ako se pokažu dostupnima, podzemni sustemi mogli bi uveliko pove ati broj lokacija gdje bi se elektri na energija dobijala sistemom pumpnih 56

65 De an Ivanovi rezervoara, što je i prednost s obzirom da rastvor soli ima za oko 20% ve u gustinu nego svježa voda. Novi planovi za sisteme pumpnih rezervoara predvi aju da se iskoriste što je mogu e više vjetroturbine ili solarna energija za pogon pumpi. To bi moglo omogu iti da cijeli proces bude mnogo energetski efikasniji i da se izjedna i promjenljivost energije dobijene od sunca ili vjetra MALE HIDROELEKTRANE Male hidroelektrane su postrojenja u kojima se potencijalna energija vode, a to je transformirana energija sun evog zra enja, najprije pretvara u statoru turbine u kineti ku energiju njenog strujanja, a zatim u rotoru turbine u mehani ku energiju obrtanja vratila turbine i, na kraju, u generatoru u elektri nu energiju. Smatra se da male hidroelektrane nemaju štetan uticaj na okolinu, za razliku od velikih hidroelektrana ija se štetnost opisuje kroz velike promjene ekosistema zbog izgradnje velikih brana, utjecaja na zemljište, poplave, uticaji na slatkovodni živi svijet, pove ana emisija metana i postojanje štetnih emisija u itavom životnom ciklusu hidroelektrane koje su uglavnom vezane za period izgradnje elektrane, proizvodnje materijala i transport. Tako e se velike koli ine vode u cjevovodima pitke vode name u kao potencijalni izvor energije, tako da se posebno na dijelu cjevovoda oko izvorišta, gdje se tok vode kroz cijevi uglavnom postiže samom gravitacijskom silom, postavljaju turbine i pripadni elektri ni generatori koji ne ugrožavaju transport pitke vode, a u isto vrijeme i proizvode elektri nu energiju. Tehnologija vezana za hidroenergiju, koja se smatra obnovljivim izvorom energije, je tehni ki najpoznatija i najrazvijenija danas u svijetu, sa visokim stupenom energetske efikasnosti, tako da 22% svjetske proizvodnje elektri ne energije pripada malim i velikim hidroelektranama [35],[36] DJELOVI MALE HIDROELEKTRANE Mala hidroelektrana se sastoji od svih objekata i djelova koji služe za skupljanje, dovo enje i odvo enje vode, za pretvaranje mehani ke u elektri nu energiju, kao i za transformac iju i razvod elektri ne energi je. Karakteristi ni dijelovi ma le hidroelektrane su: brana ili pregrada, zahvat, dovod, vod na komora ili vodostan, pritis ni cjevovod, mašinska zgrada u kojoj se nalazi turbina i generator, i odvod vode. Zavi sno od tipa hidroelektrane ne Slika 2.56 Protocna (derivaciona) mhe ki od djelova mogu potpuno izostati, a u drugim slu ajevi ma može isti dio preuzeti više funkcija, slika 2.56, [34]. 57

66 Hidroenergija Brane ili pregrade imaju višestruku namjenu i služe za skretanje vode sa njenog prirodnog toka prema zahvatu hidroelektrane, kao i za pove avanje nivoa vode zbog postizanja boljeg pada i ostvarivanje akumulacije. Vodu zaustavljenu pregradom prima zahvat i upu uje je prema hidroelektrani. Postoje dva tipa zahvata, zahvat na površini i zahvat ispod površine. Dovod spaja zahvat sa vodnom komorom, odnosno vodostanom, i on može biti izgra en kao kanal ili tunel. Tunel se gradi kao pritisni ili gravitacijski, i hidroelektrane sa pritisnim tunelom su znatno fleksibilnije u pogonu jer mogu bez ikakvih djelovanja pratiti promjene optere enja. Pritisni cjevovod za transport vode iz vodne komore do turbine naj eš e se izra uje od elika, a za manje padove može i od betona. Gravitacijsko dovo enje vode izvodi se u kanalima ija je konstrukcija takva tako da se postignu najmanji hidrauli ki gubici, sa profilom uglavnom trapeznog oblika i slobodnom nivou te nosti u njemu. Na kraju dovodnog cjevovoda nalazi se vodna komora, i njeno dimenzioniranje ima veliki uticaj na pravilno funkcioniranje hedroelektrane. Generatori zajedno sa turbinama se nalaze u mašinskoj zgradi, i postavljaju se uglavnom vertikalno zbog ekonomi nijeg izvo enja hidrauli kog dijela elektrane. Hidrogeneratori sa horizontalnom osovinom montiraju se u postrojenjima manje snage ili kad dvije Pelton ili Francis turbine pogone jedan generator. Na ulazu u pritisni cjevovod nalazi se zatvara koji ima sigurnosnu ulogu, i on automatski spre ava dalji dotok vode u cjevovod ako pukne cijev, dok postavljanje zatvara a na kraju pritisnog cjevovoda zavisi od broja turbina koje su spojene na jedan cjevovod. Vodna turbina je pogonski ure aj u kojemu se potencijalna energija vode pretvara u kineti ku energiju, a zatim promjenom koli ine kretanja u radnom kolu, u mehani ku energiju obrtanja vratila turbine i generatora. Vratilo turbinskog radnog kola spojeno je sa generatorom u kojem se mehani ka energija obrtanja pretvara u elektri nu energiju. Prema na inu pretvaranja energije odnosno prema promjeni pritiska vode pri strujanju kroz radno kolo, vodne turbine se dijele na: predpritisne ili reakcijske i turbine slobodnog mlaza, odnosno akcijske ili impulsne turbine. Predpritisnim turbinama nazivaju se vodne turbine u kojima je pritisak na ulazu u rotor ve i od onoga na njegovom izlazu, i u njima se dio potencijalne energije transformiše u kineti ku energiju u statoru, a dio u rotoru. Zakretanje radnog kola prouzrokuje promjena koli ine kretanja i reaktivne sile, tj. razlika pritiska, Koriolisova sila itd. U predpritisne turbine spadaju Francisova, Kaplanova, Propelerna (Kaplanova sa nepokretnim rotorskim lopaticama) i Deriazova turbina. U turbinama slobodnog mlaza pritisak je na ulazu u rotor jednak pritisku na njegovom izlazu, jer se sva potencijalna energija transformiše u kineti ku energiju vode u statoru turbine. Zakretna sila nastaje samo na osnovu promjene koli ine kretanja zbog skretanja mlaza u radnom kolu. Turbine slobodnog mlaza su Pelton, Turgo kao varijanta Peltonove turbine projektovana da ima ve u specifi nu brzinu, i Banki-Michell turbina upotrebljiva za velike vodene tokove i manje padove od Peltonove turbine koja se obi no izvodi sa horizontalnim vratilom. 58

67 De an Ivanovi TIPOVI MALIH HIDROELEKTRANA Zbog zaštite životne okoline, pod pojmom mala hidroelektrana podrazumijeva se energetski objekat koji iskoriš ava hidropotencijal, a istovremeno ima sljede a svojstva [37],[38]: 1.karakteriše ih proto ni rad ili veoma mala akumulacija, tako da je mali uticaj na vodotok; 2.paralelan rad sa mrežom i ugradnja asinhronih generatora; 3. ako je instalisana snaga manja od 100 kw nema izgradnje trafostanice ve se predvi a postavljanje transformatora na stubu; 4. postrojenje mhe se sastoji od brane, odnosno niskog prelivnog praga koji služi da uspori vodotok prije ulaska u dovodni kanal, dovodnog kanala i/ili cjevovoda, mašinske zgrade i odvodnog kanala; 5. umjesto niskog prelivnog kanala može se upotrijebiti tzv. tirolski zahvat; 6. ukoliko je dovodni kanal zatvorenog tipa onda je on predvi en samo za vo enje zahva ene vode po strmim obroncima i ve im dijelom je ukopan, a može biti i potpuno ukopan; 7. ako je dovodni kanal otvorenog tipa tada je on predvi en za ve e koli ine vode i po pravilu se nalazi na manje strmim terenima; 8. potrebno je da pritisni cjevovod bude što manjih dimenzija i predvi en je da vodu najkra im putem dovede do mašinske zgrade, odnosno turbine; 9. mašinska zgrada je što manjih gabarita i manipulisanje u njoj je u potpunosti automatizovano; 10. odvodni kanal je otvoren i kratak i njime se voda vra a iz mašinske zgrade u vodotok. Ova voda je jako oboga ena kiseonikom, i ribe se rado zadržavaju u ovom podru ju. Ukoliko se pri kategorizaciji i projektovanju malih hidroelektrana projektant drži ovih deset na ela uticaji na okolinu su svedeni na minimum. Kod malih hidroelektrana se ne praktikuje izgradnja velikih rezervoara ili akomulacija da bi se koristile zalihe vode kada je to najpotrebnije, jer je cijena izgradnje relativno velike brane preskupa i ekonomski neisplativa. Me utim, ukoliko je akomulacija ve izgra ena za druge svrhe, kao što su prikupljanje vode za velike gradove, navodnjavanje, zaštita od poplave, rekreacijska podru ja itd, mogu e je tada proizvoditi elektri nu energiju koriste i postoje i odvod ili prirodni tok vode iz rezervoara ili akomulacije. Za slu aj da brana nije previsoka može su ugraditi sifonski dovod, koji omogu va konstrukciju postrojenja do 1000 kw, i visine naj eš e do 10 m, iako postoje postrojenja sa sifonskim dovodom instalisane snage do 11 MW kao što je u Švedskoj i visine do 35 m u SAD. Tako e postoje dvije konstrukcije malih hidroelektrana koje koriste kanal za navodnjavanje: 1. Ukoliko je je kanal dovoljno velik za smještaj zahvata, mašinske zgrade, odvoda i bo nog obilaska za vodu, i da bi obezbijedili snabdijevanje vode za navodnjavanje, postrojenje tada mora da sadrži bo no obilaženje u slu aju gašenja turbine. Ovakvo postrojenje zahtijeva projektovanje istovremeno kada i projektovanje kanala za navodnjavanje, jer bi ugra ivanje u kanal koji je ve u funkciji moglo biti vrlo skupo; 2. Kad kanal ve postoji, onda bi on trebao neznatno da se pove a i to za smještaj zahvata i 59

68 Hidroenergija preliva. Da bi se širina zahvata redukovala na minimum, ugra uje se izduženi preliv, i voda se zatim od zahvata do turbine dovodi kroz pritisni cjevovod, pa se kroz kratki ispust vra a u kanal, tako da u kanalima uglavnom nema migracije riba te su i prolazi za ribe nepotrebni. esto se male hidroelektrane ugra uju u sisteme za vodosnabdijevanje grada. Naime, voda za pi e se isporu uje u grad transportom vode iz povišenog rezervoara kroz cjevovod pod pritiskom. U takvim vrstama instalacije na nižem kraju cjevovoda, tj. na ulasku u postrojenje za pro iš avanje vode, gubitak energije vode se ublažava koriš enjem specijalnih ventila. I zato je postavljanje turbine na kraj cjevovoda potpuno opravdano, s obzirom da e ionako izguljenu energiju mo i pretvoriti u elektri nu, uz uslov da se izbjegne hidrauli ni, odnosno vodeni udar. Radi obezbje ivanja trajnog snabdijevanja vodom mora biti ugra en sistem obilaznih ventila. Kod nekih sistema za vodosnabdijevanje turbina ima ispust u otvoreni bazen ili jezero, gdje sistem za kontrolu održava nivo vode u njemu, ak i slu aju mehani kog zastoja ili zastoja turbine. Kada glavni obilazni ventil ispadne iz pogona pojavljuje se predpritisak, tako da se pomo ni obilazni ventil odmah otvara. Kontrolni ssistemi su još složeniji za slu aj kad je izlaz iz turbine podvrgnut protivpritisku vodene mreže PARAMETRI MALIH HIDROELEKTRANA U energetskom pogledu hidroelektrane povezuju sa mogu om proizvodnjom, koja se obi no izražava kao srednja godišnja proizvodnja u kwh ili GWh i dobija se kao aritmeti ka sredina mogu ih godišnjih proizvidnji u posmatranom dužem nizu godina za koje se raspolaže s podacima o ostvarenim dotocima. Pojam mogu a proizvodnja podrazumijeva maksimalnu proizvodnju koja se može ostvariti koriš enjem najve e koli ine raspoložive vode pod najpovoljni jim uslovima, uzimaju i u obzir veli inu izgra ene hidroelektrane. Iskoristivi volumen V zavisi od veli ine izgradnje i Q i, tj. od maksimalnog protoka koji hidroelektrana može propustiti kroz postrojenje, i odre uje se na osnovu krive trajanja protoka Q=f(t): Q i V i = tdq. (2.21) 0 Srednji iskoristivi protok Q si je onaj konstantni protok pri kojem bi za isto vrijeme na posmatranom profilu toka protekla koli ina vode V i, Q Vi Vi 3 = ( m / s). (2.22) 6 t 31, si = 0 60

69 De an Ivanovi Neto snaga P [kw], odnosno srednja iskoristiva snaga koju hidroelektrana daje na priklju cima generatora, odre]uje se iz jedna ine: P = 9, 8 1 η η Q H [kw], (2.23) t gdje je: H n (m) neto pad, odnosno tehni ki iskoristiva energija vodotoka smanjena zbog trenja u tunelu i pritisnom cjevovodu, te je neto pad = bruto pad(prirodni) gubici energije; ηt - stepen korisnog dejstva turbine; η g - stepen korisnog dejstva generatora; Qsi - srednji iskoristivi protok. Pri normalnom optere enju u savremenim hidroelektranama ukupni stepen dejstva η = η t η g iznosi i do 90%, za ve a postrojenja oko 80%, a za manja 75% INVESTICIONI TROŠKOVI I TROŠKOVI POGONA MHE Osim proizvodnje energije, svako energetsko postrojenje koristi i energiju za sopstveni rad, pa se ti troškovi nazivaju pogonskim troškovima. Kod sistema za vodosnabdijevanje u cjevovodima hidrauli ka snaga, koja se izražava porastom pritiska vode poništava se prigušnim elementima koji su ustvari potroša i energije. Samo prigušenje pritiska može se dobiti i postavljanjem turbina na pogodna mjesta u cjevovodu, tako da je iz cjevovoda za vodosnabdi jevanje mogu e dobiti dio energije potrebne za, na primjer, pogon pumpi. Ukoliko je mogu e dobiti višak energije, ta energija se može dalje eksploatisati ili prodavati, ime se umanjuju pogonski troškovi postrojenja i dodatno proizvodi korisna energija uz ekonomske dobiti. Problemi vezani za projektovanje i puštanje u rad male hidroelektrane leže u ekonomskim i zakonodavnim zahtjevima. Kako je izgradnja male hidroelektrane ekonomski zahtjevan projekt, danas je uglavnom klju ni problem nezainteresovanost odgovornih tijela za ulaganja u obnovljive izvore energije, kao i nedovoljno djelovanje državnih organa usmjereno na banke da budu otvorenije ka ulaganju, jer tržišni interes banaka izostaje zbog niskih kamata za ovakve investicije, nižih nego za ostale tržišne aktivnosti. Tako e, dodatni problem predstavljaju i esto neriješeni imovinsko-pravni odnosi na potencijalnim lokacijama izgradnje malih hidroelektrana kao i neriješena katastarska pitanja i njihovo sporo rješavanje. Dok velike hidroelektrane imaju manjih poteško a u konkurenciji sa drugim konvencionalnim energetskim izvorima, male hidroelektrane, a naro ito vrlo male i one sa malim padom, mogu normalno konkurisati tamo gdje su uvedene nadoknade za spoljnje troškove povezane sa fosilnim gorivima i nuklearnom energijom. Po etni investicioni troškovi ulaganja po kw su veliki, ali su troškovi rada mhe veoma niski, pošto nema potrebe pla ati gorivo. Potreban kapital za mhe zavisi od efektivnog pada, protoka vode, geoloških g si n 61

70 Hidroenergija parametara, opreme kao što su turbine, generatori itd., zatim od gra evinskih radova, kao i od dinamike cijelog toka. Koriš enje ve postoje ih brana, pregrada, rezervoara i jezera može zna ajno smanjiti ekološki utjecaj i same troškove. Isto tako hidroelektrane sa malim padom i velikim protokom vode zahtijevaju ve a po etna ulaganja, jer gra evinski radovi i turbine moraju podnijeti ve i protok vode. Na primjer, ako se uzme u obzir da je 5000 sati puno godišnje optere enje, investicioni troškovi za malu hidroelektranu od 100 kw bili bi od 0,95 do 1,8 eura po kwh/god. ili od do eura, dok je za malu hidroelektranu od 2 MW taj raspon izme u 0,55 i 0,75 eura po kwh/god. ili izme u 5,5 i 7,5 miliona eura. Postoji i procjena investicionih troškova: 1. kategorija vodotokova sa srednjim vrijednostima: H = 16,62 m, Q = 8,04 m 3 /s, P = 791,3 kw - do 2500 /kw 2. kategorija vodotokova sa srednjim vrijednostima: H = 5,33 m, Q = 9,81 m 3 /s, P = 247,35 kw /kw 3. kategorija vodotokova sa srednjim vrijednostima: H = 3,11 m, Q = 6,69 m 3 /s, P = 95,47 kw /kw 4. kategorija vodotokova sa srednjim vrijednostima: H = 0,99 m, Q = 13,08 m 3 /s, P = 73,53 kw - preko 6000 /kw Za neke mhe u pogonu troškovi pogona iznose od 1,3 do 2,5 /MWh. Tako su pogonski troškovi prema iskustvenim podatcima iz prakse za malu hidroelektranu snage 1,4 MW oko 2,48 /MWh), a za malu hidroelektranu snage 585 kw oko 1,35 /MWh EKOLOŠKI UTICAJI Prednosti male hidroelektrane (mhe) se ogledaju u sljede em: 1. ekološki su vrlo prihvatljive jer proizvode i elektri nu energiju ne emituje ugljendioksid u okolinu, a što je posebno važno; 2. smanjuje se potrošnja fosilnih goriva; 3. pomažu u zaštiti od poplava, i ne zahtijevaju koriš enje velikih površina; 4. sigurnije i pouzdanije snabdijevanje elektri nom energijom, stupen korisnosti je i do 90%, a pogonski troškovi su mali; 5. pozitivan društveni uticaj na regiju, naro ito zapošljavanje. Tako jedan GWh (1 GWh = 1 milion kwh) elektri ne energije proizvedene u MHE zna i: 1. izbjegavanje emisije od 480 tona ugljendioksida CO 2 ; 2. godišnje snabdijevanje elektri nom energijom 250 doma instava u razvijenim zemljama, a 450 u zemljama u razvoju; 3. uštedu 220 tona goriva ili uštedu 335 tona uglja. Što se ti e nedostataka mhe, iako su oni prisutni u znatno manjoj mjeri u odnosu na velike hidroelektrane, jer ove uti u na promjenu vodotoka, ipak je

71 De an Ivanovi dosta vjerovatan uticaj mhe na lokalnu floru i faunu, kao što su migracije i ozljede riba, kvalitet vode nizvodno i sl. Da bi se ublažili ti uticaji, uvode se mjere za zaštitu okoline, a u koje spadaju: prolazi za ribe, rezervni tok, višenamjenski pogoni, tehnike za smanjenje buke i vibracije, skupljanje i skladištenje sme a, prijateljske turbine za ribe kao i bio-dizajn MALE HIDROELEKTRANE U SVIJETU Svjetska instalisana snaga mhe je 2000.godine bila oko 37 GW, ili MW. Azija, a naro ito Kina je postala lider u proizvodnji hidroelektri ne energije, dok se današnji razvoj energije u Australiji i Novom Zelandu fokusira na male hidroelektrane. Kanada, kao zemlja sa dugom tradicijom koriš enja hidroenergije, razvija male hidroelektrane kao zamjenu za dizel elektrane u udaljenim sredinama bez razvedene elektri ne mreže. Južna Amerika, bivši Sovjetski savez i Afrika tako er imaju veliki, netaknuti potencijal. Samo u godini porast je bio od Slika 2.57 mhe u svijetu-instalisana snaga (%) 8 % u odnosu na godinu. i tada je iznosila 66 GW, što je u odnosu na god. porast za ak 78%, i to više od 50 % u Kini (38.5 GW), zatim Japan sa 3.5 GW, i SAD sa 3 GW. Me utim, to je u odnosu na svjetsku potrošnju primarne snage, koja je oko 15 TW (15 milijona MW), samo oko 0,5%, dok je u svjetskoj proizvodnji elektri ne energije to u eš e god. Iznosilu oko 5,12 %, slika Evropa je druga u svjetskom doprinosu u proizvodnji elektri ne energije iz malih hidroelektrana, i to odmah iza Azije. Danas hidroenergija u EU-27 ima oko 84% udjela u ukupnoj proizvodnji elektri ne energije iz obnovljivih izvora i oko 13% ukupne proizvodnje elektri ne energije u EU-15. Male hidroelektrane su 2001.god. u EU-15 doprinijele oko 2% u ukupnoj proizvodnji elektri ne energije, i oko 9% u ukupnoj proizvodnji elektri ne energije iz obnovljivih izvora energije. U novim lanicama Europske unije mhe ine približno 4.6% ukupne hidroenergetske proizvodnje, i nijedan od drugih obnovljivih oblika energije, a to su vjetar, biomasa, fotonaponske elije i sl., u tim zemljama, se ne može mjeriti s malim hidroelektranama. U zemljama EU-15 u pogonu ima oko mhe sa prosje nom instalisanom snagom od 0.7 MW, dok nove lanice EU-10 imaju oko 2800 mhe, prosje ne snage 0.3 MW, a Rumunija, Bugarska i Turska oko 400 MHE, prosje ne snage 1.6 MW. 63

72 Hidroenergija HIDROELEKTRANE U CRNOJ GORI Do sada je od ukupno 9846 GWh raspoloživog hidropotencijala u Crnoj Gori, preko izgra enih velikih hidroelektrana HE Peru ica i HE Piva, kao i sedam malih hidroelektrana, realizovano oko 1665 GWh odnosno oko 17% od ukupnog hidroenergetskog potencijala [39]. Ranije je prednost bila data iskoriš enju glavnih vodotoka izgradnjom hidroelektrana velikih snaga (HE Peru ica 307 MW i HE Piva 340 MW), tako da se dugo vremena smatralo da se iz velikuh hidroelektrana može dobiti dovoljna koli ina elektri ne energije za doma e potrebe [40]. Crna Gora se zadnjih godina priklu uje trendu valorizacije potencijala vode kao obnovljivog izvora energije, i to kroz niz strateških dokumenata u oblasti energetike. U Crnoj Gori postoji sedam malih hidroelektrana- mhe, ukupne instalisane snage od 8,72 MW, koje ostvaruju prosje nu godišnju proizvodnju od 21,4 milijona KWh (21,4 GWh). Kako je ukupna instalisana snaga crnogorskog elektroenergetskog sistema 868 MW, a od toga ve ina u dvije velike hidroelektrane (HE Peru ica i HE Piva), to je udio postoje ih mhe u snazi proizvodnih jedinica svega 1,1%, dok je udio proizvodnje mhe u ukupnoj godišnjoj proizvodnji elektroenergetskog sistema 64 Tabela 2.2. Postoje e mhe u Crnoj Gori Crne Gore oko 0,9%. Crna Gora uvozi približno 1/3 ukupnih potreba za elektri nom energijom iz drugih sistema, tako da je doprinos mhe u pokrivanju ukupne potrošnje još manji, s obzirom da se dvije tr ine elektri ne energije prozvodi u dvije velike hidroelektrane, a jedna tre ina u termoelektrani TE

73 De an Ivanovi Pljevlja. U Tabeli 2.2. dati su osnovni podaci o postoje im mhe u Crnoj Gori [41]. Od godine u Crnoj Gori su izvršena hidrološka mjerenja na 45 vodotoka, dok se za izradu Katastra malih vodotoka za potrebe izgradnje malih hidroelektrana instalisane snage do 1 MW trenutno vrše mjerenja na 87 vodotoka na teritoriji 13 crnogorskih opština. Prema Tenderu I, Tenderu II i izdatih energetskih dozvola Crna Gora je do sada dodijelila 16 kocesija za izgradnju 38 mhe, što se vidi iz Tabele 2.3. [41]. Tabela 2.3. Koncesije u Crnoj Gori za izgradnju mhe 65

74 Hidroenergija 2.4. HIDROELEKTRANE NA PLIMU I OSJEKU Energija plime i osjeke je oblik hidroenergije koja kretanje mora prouzrokovano mjese evim mjenama odnosno padom i porastom nivoa mora, koristi za transformaciju u elektri nu energiju ili druge oblike energije. Iako je potencijal ove hidroenergije veliki, do sada još nema ve ih komercijalnih poduhvata na njenoj eksploataciji, [42]. U odre enim djelovima svijeta, gdje su morske mijene izrazito naglašene, energija plime i osjeke ima veliki potencijal za proizvodnju elektri ne energije. I pored toga što su morske mijene predvidljivije od energije vjetra ili solarne energije, ipak ovaj na in proizvodnje elektri ne energije ne može pokriti svjetske potrebe, ali može dati veliki doprinos u obnovljivim izvorima,[43]. Zavisno od geografskog položaja, razlika u visini plime i osjeke varira izme u 4,5 i 12,5 m. Tako su amplitude plime i osjeke na Atlanskom, Tihom i Indijskom okeanu prosje no od 6 do 8 m, dok su u Jadranskom moru one oko 1 m. Na pojedinim mjesti ma obale u zapadnoj Francuskoj, slika 2.58, i u jugozapadnom dijelu Velike Britanije amplituda dostiže i više od 12m. Vremenski razmak izme u dvije plime iznosi 12 sati na Slika 2.58 Elektrana na plimu i osjeku u Francuskoj zapadnoevropskoj atlantskoj obali, dok na obalama Indokine nastaje samo jedna plima u 24 sata. Utvr eno je da je za ekonomi nu proizvodnju potrebna minimalna visina od 7 m. Na svijetu postoji oko 40 lokacija pogodnih za instalaciju plimnih elektrana. Mnoga tehnološka poboljšanja, kako u konstruktivnom smislu tako i u tehnološkom aspektu vezano za turbine, u inila su da raspoloživost snage plime i osjeke budu puno ve a, dok su ekonomski i ekološki troškovi spušteni na prihvatljivi nivo. Postoje dvije glavne podjele elektrana na plimu i oseku,[44]. Prva kategorija koristi razliku hidrostati kog potencijala izme u bazena i mora, dok druga kategorija koristi kineti ku energiju kretanja vode, kao i kod vjetroelektrana KONVENCIONALNE HIDROELEKTRANE NA PLIMU I OSJEKU Ove hidroelektrane imaju branu sa dvosmjernim propuštanjem vode sa turbinama kroz koje voda može strujati kako u jednom tako i u drugom, suprotnom smjeru. Tehnologija koja se koristi za pretvaranje hidroenergije plime i osjeke u elektri;nu energiju je sli na tehnologiji koja se koristi u konven cionalnim hidroelektranama. Sve dok je plima dovoljno visoka, a to zna i do

75 De an Ivanovi trenutka nastajanja potrebne visinske razlike izme u nivoa vode mora i one u bazenu, brana spre ava ulaz vode u bazen. Tek nakon toga dopušta se da voda iz mora kroz turbine struji u bazen. Pored plimnog potencijala potrebna je i brana koja obezbe uje razliku hidrostati kog potencijala izme u stvorenog bazena i mora, a to je u periodu osjeke. Pošto je izgradnja brane veoma skupa gra evinska konstrukcija, cilj je da se štedi na njenoj dužini, tako da su idealna mjesta za njenu gradnju fjordovi, uš a rijeka ili što zatvorenije uvale,[45]. Kada se postigne potrebna razlika hidrostati kog potencijala, turbine, koje se ugra uju na pogodnim mjestima u brani, se puštaju u pogon, tako da se elektri na energija može proizvoditi kada voda te e u bazen i iz bazena. Ta peridi nost da voda te e u bazen i iz bazena je uzrokovana rotacijom Zemlje stvaraju i dvije plime i osjeke dnevno. Proizvodnja elektri ne struje je karakteristi na po maksimalnoj proizvodnji svakih 12h sa stajanjem na polovini tog perioda kada je visina vode sa obje strane brane jednaka. Najve a visina plime tj. njena amplituda, na nekom mjestu nije uvijek jednaka. Tako na isto noj obali Atlantika u zalivu La Rance (Francuska) amplituda plime h (m) se mijenja u širokom intervalu, i zavisi od me usobnog razmaka Sunca, Mjeseca i Zemlje. To uslovljava oscilacije po kojima se amplituda obi no zazlikuje: a) vrlo visoka plima do 14 m (kriva a na slici 2.59) koja se pojavljuje za vrijeme prolje njeg i jesenskog ekvinocija ili ravnodnevnice, kada Zemljina osa nije nagnuta ni od ni prema Suncu, a središte Sunca se u tom trenutku nalazi u ravni Zemljinog ekvatora,[46]. Te pojave obilježavaju po etak prolje a na sjevernoj, a jeseni na južnoj hemisferi (oko 21. marta) i jeseni na sjevernoj, a prolje a na južnoj hemisferi (oko 23. septembra); b) visoka plima do 12 m (kriva b na slici 2.59) koja se pojavljuje dva puta u toku 29,5 dana, jedan ili dva dana poslije mladog punog mjeseca; i c) niska plima do 10 m (kriva c na slici 2.59) koja se isto tako pojavljuje dva puta u toku 29,5 dana, i to jedan ili dva dana nakon prve i druge mjese eve etvrtine,[47]. h 67

76 Hidroenergija Slika Dijagramski prikaz plime i osjeke Najve a hidroelektrana ovog tipa je La Rance u Francuskoj. Nalazi se na uš u istoimene rijeke, snage je 240 MW, u upotrebi je od 1966 godine te je i najstarija elektrana na plimu i osjeku, slika Karakteristike elektrane La Rance su: Alternator je sinhroni; Pbud stati ka; Nominalni broj obtanja 93,75 o/min; Maksimalno prekora enje brzine 260 o/min; Izlazni napon 3,5 kv; Hla enje sa komprimovanim vazduhom pritiska 2 bara. Slika Elektrana La Rance Postoji tako e i eksperimentalno postrojenje Annapolis Royal u Novoj Škotskoj snage snage 20 MW, eksperimentalno postrojenje Murmansk u Rusiji snage 0.4 MW, kao i kanadsko u Annapolisu na malom ulazu u Fundy-ev zaliv snage 17.4 MW, dok je u Kini postavljeno niz malih postrojenja. Na slici 2.61 je prikazano postrojenje plimne hidroelektrane. Popre ni presjek elektrane 1 2 Turbina 3 Stator 4 Rotor Sprovodne lopatice Straflo Turbina Tok vode Turbina Tok vode 68 Slika 2.61 Postrojenje plimne elektrane Prednost ovih konvencionalnih elektrana je u tome što se dobija jeftina, ista i obnovljiva energija. Me utim, malo je pogodnih lokacija za njihovu izgradnju, troškovi izgradnje su im veliki, a imaju i veliki uticaj na okolinu s

77 De an Ivanovi obzirom da uzrokuju migracije riba, tako da veliki kapitalni troškovi ovakvih elektrana sa dugim periodom izgradnje do 10 godina ine cijenu struje vrlo osjetljivom na diskontnu stopu, i zato su ove elektrane trenutno komercijalno neatraktivne,[48] PRINCIP RADA PO POJEDINIM ETAPAMA KONVENCIONALNIH ELEKTRANA U prvoj etapi pogona zatvaraju se zatvara i i voda u bazenu ostaje na odre enoj Po etna ta ka; Punjenje bazena Osjeka- spuštanje nivoa vode izvan bazena Pražnjenje bazena preko turbina i proizvodnja elektri ne energije Ispražnjen bazen; Jednak nivo bazena i mora P Plima dolazi; Stvaranje razlike nivoa h. Punjenje bazena preko turbina uz proizvodnju elektri ne energije. Zatim na po etnu poziciju 1, itd. Slika 2.62 Prikaz rada hidroelektrane na plimu i osjeku 69

78 Hidroenergija koti, a nivo mora opada, slika Kada se more spustilo toliko nisko da postoji dovoljna razlika nivoa vode u bazenu i mora, tj. dovoljan pad, potencijalna energija vode nagomilane u bazenu e se pretvoriti u mehani ku, a ova u elektri nu energiju, sve dok razlika nivoa omogu ava rad turbine. Turbina se zaustavlja kada se postigne minimalni pad, ali se bazen nakon toga i dalje prazni kroz zatvara (etapa 3, slika 2.63), da bi se u njemu postigao što niži nivo vode, kako bi se ostvario što ve i pad za etapu pogona u obrnutom smjeru. Kada se izjedna e nivoi vode u bazenu i moru po inje pumpanje vode, slika 2.63., Pum panje Nivo vode u bazenu Slika 2.63 Na in korištenja potencijalne energije plime i oseke za elektranu s ugra enim turbinama za rad u oba smjera i mogu noš u crpljenja vodom. iz bazena u more (etapa 3 na slici 2.52 i etapa 4 na slici 2.63) da bi se što niže snizio nivo vode u bazenu. Kada se postigne kota koja odgovara nižoj koti mora, prekida se rad pumpi, pa voda u bazenu ostaje na konstantnom nivou (etapa 5 na slici 2.63) sve dok se ne postigne takav pad kod kojeg e turbina mo i raditi u obrnutom smjeru. Poslije toga stavlja se turbina u pogon koristi i vodu iz mora prema bazenu (etapa 4 na slici 2.62 i etapa 6 na slici 2.63) sve dok se postigne minimalan pad kod kojeg turbina može raditi. Zatim turbina preastaje sa radom, otvara se zatvara da bi se dalje punio akumulacijski bazen (etapa 7 na slici 2.63) [49], [50] UTICAJ NA ŽIVOTNU SREDINU Istraživanja sprovedena na plimne brane utvrdila su ukoliko su izgra ene na uš u rijeke u more, predstavljaju sli ne prijetnje poživotnu okolinu kao i velike brane sa velikim akumulacijama, tako da mnoge države u svijetu nevoljno daju saglasnost za njihovu izgradnju. Naime, izgradnjom velikih plimnih brana mijenja se tok slane vode iz mora kroz uš e u rijeku i obrnuto, što uzrokuje 70

79 De an Ivanovi promjenu hidrologije i salanitete, ime se stvara mogu i negativni uticaj na morske sisare i njihovo stanište [51],[52]. Francuski istraživa i su otkrili da je u toku izgradnje plimne brane na najve oj elektrani tog tipa u svijetu (La Rance), izolovanost od uš a negativno djelovalo na floru i faunu, me utim poslije deset godina došlo je do promjenljivog stepena biološkog prilago avanja na nove uslove sredine [52]. Zbog izgradnje brane neke vrste su izgubile svoja staništa, dok su opet neke druge vrste živog svijeta popunile taj napušteni prostor, ime je stvorena promjena u razli itosti. Nestale su pješ ane obale i plaže, dok je tok vode pove an u blizini brane, a naro ito u kanalima sa zatvara nicama. Mutno a, ili koli ina materije u suspenziji u vodi, se smanjuje kao rezultat manje koli ine vode koja se razmjenjuje izme u bazena i mora, i ovo omogu ava da sun eva svjetlost prodire dublje u vodu poboljšavaju i uslove za fitoplanktone. Promjene se ogledaju u propagaciji lanca ishrane, uzrokuju i opšte promjene ekosistema. Plimne ograde i turbine mogu imati razli ite uticaje na životnu sredinu u zavisnosti od toga da li su ili nijesu one konstruisane po propisima u odnosu na zaštitu životne sredine. Glavni uticaj na životnu sredinu od strane turbina je njihov uticaj na ribe. Ako se turbine okre u dovoljno polako, sa 25 do 50 obrtaja u minuti, ubijanje riba je svedeno na minimum, tako da mulj i druge hranljive materije su u stanju da struje kroz turbinsko kolo. Plimne ograde blokiraju kanale, što otežava ribama i divljim životinjama da se sele kroz te kanale. Radi smanjenja pomora riba pove ava se prostor ime u zida ku išta i turbinskog kola, koji e dozvoliti prolaz riba. Ve i morski sisari kao što su foke ili delfini mogu da se zaštite od turbina koriste i razne varijante ograda ili autoko ioni sonarni senzor, koji automatski isklju uje turbine kada se morski sisari detektuhu. Za razliku od brana, plimne ograde i turbine ne blokiraju kanale kojim se voda usmjerava prema izlazu iz uš a u more, ne prekidaju migracije riba niti mijenjaju hidrologiju, tako da ova rešenja omogu avaju proizvodnju elektri ne energije bez težeg uticaja na životnu sredinu. Kao rezultat manje razmjene vode iz bazena u more i obrnuto, prosje ni salinitet vode u bazenu, odnosno slivu se smanjuje, što tako e uti e na ekosistem. Velike koli ine razli itog nanosa kre u se u toku rijeke prema uš u u more, tako da pored štetnog uticaja na ekosistem ti sedimenti mogu uticati i na normalno funkcionisanje brane, odnosno hidroelektrane. Kroz ustave ribe se kre u bezbjedno, me utim kada su one zatvorene, ribe e potražiti put prema turbinama i pokušati da plivaju kroz njih. Neke ribe ne e biti u stanju da pobjegnu od brze vode blizu turbine, i jednostavno e biti usisane. I pored svog dizajna turbina prilago enog ovom problemu sa ribama, stradaju približno 15%, i to od pada pritiska vode, od kontakta sa lopaticama rotora turbine, kao i usled kavitacije. Alternativne tehnologije za prolaz riba, kao su rilje lestvice, liftovi, riblje pokretne stepenice, do sada nijesu uspjele da 71

80 Hidroenergija riješe ovaj problem za plimne brane, ili pak ove tehnologije nude veoma skupa rešenja ili ono koje može koristiti samo manji dio riba, dok su istraživanja na principu zvu nog vodi a riba u toku. Zapaženo je da je kod velikih veoma sporih rotiraju ih Kaplanovih turbina postavljenih pod uglom, smrtnost riba manja od 5%, tako da ovaj koncept turbine izgleda veoma pogodan za adaptaciju plimskih turbina ENERGETSKI PRORA UNI Energija dostupna iz ogra enog basena plimne hidroelektrane, zavisi od zapremine vode smještene u tom basenu. Potencijalna energija E sadržana u toj zapremini vode daje se u vidu izraza [53]: 1 2 E p = Aρgh, 2 gdje je h (m) vertikalno rastojanje slobodnog nivoa vode izme u plime i osjeke, A (m 2 ) površina horizontalnog nivoa vode u ogra enom basenu za vrijeme 3 plime, ρ = 1025kg / m je gustina vode i za slanu vodu gustina varira izme u 1021 i kg / m, i g = 9, 8 1 ( m / s ). Koeficijent 1/2 u gornjem izrazu podrazumijeva injenicuda se hidrauli na visina h, kako voda prolazi kroz turbine, smanjuje od njene maksimalne vrijednosti pa sve do nula, kada se pojavljuje osjeka. Neka je površina slobodnog nivoa te nosati ispred brane hidroelektrane A = 9 km 2 = m 2, a vertikalno rastojanje slobodnog nivoa vode izme u plime 3 i osjeke h = 10 m. Gustina morske vode je ρ = 1025, 1 8 kg / m, pa ukupna masa vode koja za vrijeme trajanja ciklusa plima osjeka, može da pro e kroz turbine 6 9 hidroelektrane iznosi: m = ρ Ah =1025, = kg. Potencijalna energija E p sadržana u toj zapremini vode, na osnovu gornjeg izraza iznosi: E p = Aρ gh = , , = 4, J, 2 2 Svakog dana javljaju se dvije plime i dvije osjeke, a u trenutku osjeke je E = 0. Prema tome, ukupna dnevna potencijalna energija e iznositi: p E p 12 = 2. 4, J = J, tako da snaga vode iznosi: E p J 6 P = = = W = 104MW. Pri stepenu korisnosti dan 86400s η = 30 % = 0, 3, snaga hidroelektane iznosi: P H =η P = 0, = 31MW. p 72

81 2.4.2 NEKONVENCIONALNE HIDROELEKTRANE NA PLIMU I OSJEKU De an Ivanovi Rad ovih hidroelektrana u principu je isti kao i kod vjetroelektrana, samo što kao fluid umjesto vazduha služi voda, jer morske struje mogu prenositi jednake koli ine energije kao i vjetrovi. Turbine kod ovih hidro elektrana grade se na dubinama od metara ispod mora, i to obi no na mjestima gdje su jake morske struje, slika One proizvo de 3 do 4 puta više energije nego konvencionalne, a i ekološ ki su prihvatljivije. Trenutno ne postoji ni jedna Slika 2.64 Prototip turbine nekonvencionalne plimne elektrane izgra ena elekt rana ovog tipa. Zbog smanjenja velikih kapital nih troškova razvi jene su turbine koje rade po istom principu kao što rade vjetroelektrane, koriste i energiju morskih struja izazvanih plimom i osjekom u kanalima. Prednost ovih hidroelektrana je u pouzdanoj periodi nosti morskih struja iju energiju koriste. Od strane European Commission's energy programme finansi rana su dva projekta i to Kvasalund i Devon. Brzina struje u Slika 2.65 Kvasalundski kanal Kvasalundskom kanalu iznosi 2,5 m/s. Treba da se ugradi prototipna turbi na snage 300 kw ukup nih procjenjenih troškva od 11 miliona USD. Turbina ima podesive lopatice radijusa 10 m i ugra uje se na dubinu od 50 m sa centrom rotacije 20 m od morskog dna. Ukupna masa cijelog ure aja je oko 200 tona. Zbog spore rotacije lopatica ova turbina nema negativan uticaj na migraciju riba a njeno postavljanje na veliku dubinu omogu ava nesmetan prolazak brodova iznad turbine slika Me utim, postoji objektivni problem održavanja zbog potrebe obavljanja svih poslova pod vodom. Pilot elektrana Devon koja koristi struju plime i osjeke nalazi se na 1,5 km od obale, slika 2.66 i Projektovana je za proizvodnju 300 kw elektri ne energije pomo u rotora dužine 11 m sa 20 obrtaja u minuti. Ovako mali broj obrtaja rotora ne ugožava populaciju riba. Ure aj je konstruisan tako da se može izvaditi iz vode i popravke se mogu obavljati na suvom. European Marine Energy Centre prepoznaje uglavnom šest glavnih vrsta energetskog konvertora plime i osjeke: 73

82 Hidroenergija 1. Turbine sa vodoravnom osom koje po pravilu koriste isti princip kao i tradicionalne vjetroelektrane koriste i pritom vodu umjesto vazduha, slika 2.68, [54-58].Upravo se najviše prototipova ove vrste trenutno radi. 2. Turbine sa vertikalnom osom, i Gorlov spiralna turbina kao prototip postavljena je duž Sjeverne Koreje, [59-62]. 3. Osciliraju i ure aji: Oni ne koriste rotiraju e ure aje nego djelove aerotijela koje gura snagom vode. Tokom godine 150 kw osciliraju ih ure aja bilo je testirano po obali Škotske, slika [63-65]. 4.Venturijev ure aj koji se koristi za ubrzavanje vode kroz turbinu, a može se postaviti vodoravno ili vertikalno. 5. Arhimedov zavrtanj i 6. Plimni zmaj. Slika 2.66 Šema turbine na struju plime i osjeke-devon Slika 2.67 Izgled turbine na struju plime i osjeke-devon Slika 2.68 Turbine sa horizontalnom osom Slika 2.69 Venturijev ure]aj ENERGETSKI PRORA UN Snaga turbine: Pretvara i energije plime i osjeke mogu da funkcionišu na razli ite na ine, pa im je stoga i razli ita izlazna snaga. Ako je koeficijent snage CP poznat odgovaraju a jedna ina može da se koristi za izra unavanje izlazne snage turbine kao hidrauli nog podsistema cijelog ure aja za pretvaranje energije 74

83 De an Ivanovi plime u elektri nu energiju. Ovaj koeficijent se ne može odrediti bez primjene Becovog (Betz) limita [66] vezanog za taj koeficijent, iako se ovo u izvjesnoj mjeri može zaobi i stavljanjem turbine u zaštitnom omota u cilindri nog oblika ili u kanalu., slika U suštini, ovaj omota otklanja vodu koja nebi prolazila kroz rotor turbine, tako da se popre ni presjek cilindra ili kanala u kojemu je smještena turbina uzima za frontalnu površinu A (m 2 ) kroz koju te e brzinom Slika2.70 Turbinasmještena u omotacu v (m/s) morska struja izazvana plimom i osjekom, tako da Bezovo ograni enje i dalje važi za ure aj u cjelini. Prema tome, izlazna snaga turbine P (W) može da se izra una prema formuli: 3 ρav P = CP, gdje je ρ = 1027 kg/m 3 gustina slane vode. Ukoliko jec P = 2 0,6 a A = 1 (m 2 ), pri brzinama vode v = 1 (m/s); 2 (m/s) i 3 (m/s), snaga turbine e na osnovu ove formule iznositi P = 0,31 (kw); 2,5 (kw); 8,4 (kw). Za slu aj da je A = 25 (m 2 ) i pri istim brzinama snaga turbine iznosi P = 7,25 (kw); 62,5 (kw); 210,0 (kw), dok za A = 100 (m 2 ) snaga e biti P = 31,0 (kw); 250,0 (kw); 840,0 (kw). U odnosu na otvorenu turbinu koja je bez ovog omota a smještena u slobodnoj morskoj struji, ova oklopljena turbina, slika 2.70, je u stanju da ima 3 do 4 puta ve u izlaznu snagu [67], rade i u oba pravca ime se pokazuje kao veoma efikasna u doprinosu integrisanog elektroenergetskog sistema odre enog podru ja [68]. Ova turbina je obavijena Venturijevim oblikovanim omota em ili kanalom, ime se stvara podpritisak iza turbine. Venturijeva obavijena turbina ne podliježe Becovom ograni enju i radi sa ve im koeficijentom efikasnosti nego turbina bez omota a pri pove anju brzine te enja morske struje kroz turbinu. Becovo ograni enje od 59,3% za koeficijent pretvaranja energije plime u elektri nu energiju i to za turbinu bez omota a u slobodnoj struji, je i ovdje primjenljivo ali samo za one obavijene turbine kod kojih je površina ulaznog popre nog presjeka mnogo ve a od ulaznih površina malih turbina. Male turbine se obi no postavljaju na mjestima gdje je morska struja plitka i gdje se voda sporije kre e, zbog ega je isklju ena mogu nost ugradnje velike turbine. Sve turbine na plimu treba da budu postavljene pod korektnim uglom u odnosu na glavni tok vodene struje, i tada rade sa maksimalnim koeficijentom energetske efikasnosti, u protivnosti javlja se trenutno haoti no i vihorno strujanje koje smanjuje efikasnost turbine. Kod turbina sa manjim koeficijentom efikasnosti cijena omota a turbine mora biti opravdana, dok kod turbina sa ve im koeficijentom efikasnosti ta cijena 75

84 Hidroenergija omota a ima manji uticaj na povra aj sredstava. Prednosti turbina sa omota em su: 1. Pogodna geometrija omota a može pove ati brzinu vode kroz turbinu 3 do 4 puta u odnosu na turbinu bez omata a; 2. Više proizvedene energije podrazumijeva ve i povra aj investicije; 3. Broj pogodnih lokacija za ove turbine je pove an u odnosu na ranije lokacije, tako da komercijalni razvoj postaje održiv; 4. Gdje velike i glomazne turbine nijesu pogodne, manje obavijene turbine mogu biti montirane u plitkim rijekama ili zalivima omogu avaju i bezbjednu plovidbu na plovnim putevima [69]; 5. Smještena u omota u manje je vjerovatno da e turbina biti ošte ena od strane plutaju ih krhotina; 6. Sa malim obrtajem kola ove plimne turbine ne ometaju morski život i imaju mali ili gotovo bezna ajni uticaj na životnu sredinu, a nedostaci: 1. Ve ina obavijenih turbina imaju fiksirani položaj osovine turbinskog kola, tako da turbina mijenja svoju efikasnost sobzirom na promjenu pravca strujnog toka. Zato u narednoj fazi istraživanja neophodno je na osovini turbinskog kola ugraditi neku vrstu zgloba, nalik na vjetrogenerator ili ru icu sa iglom na gramofonskoj plo i, tako da pravac strujnog toka ostaje normalan na ulaznu povšinu turbine ime se postiže maksimalne energetska efikasnost; 2. Pošto su obavijene turbine optere enije 3 do 4 puta u odnosu na neobavijene, to je neophodan prili no robustan sistem za njenu montažu. Me utim, montažu omota a oko turbine treba tako sprovesti da se umanji velika turbulencija, kao i pojava talasa visokog pritiska oko turbine, što umanjuje njene perfomanse; 3. Ove turbine mogu biti opasne za život riba i morskih sisara, jer mogu biti usisani od strane lopatica turbine kroz Venturijev omota. Procjena resursa: Iako po etne procjene raspoložive energije po ivaju na upotrebi kineti ke energije strujnog toka, izra unavanje proizvedene energije ovih turbina je znatno komplikovanije. Na primjer, maksimalna mogu a energija izvu ena iz moreuza koji povezuje dva velika bazena sa morskom vodom može se izra inati po formuli [70], [71]: P = 0, 2 2 gρ H Q, gdje je ρ = 1027 kg/m 3 gustina slane vode, g = 9,81 m/s 2, kanal (moreuz), max max H max (m) maksimalna razlika nivoa vode kroz Q max (m 3 /s) maksimalni zapreminski protok vode kroz kanal ELEKTRANE ZASNOVANE NA INTERAKCIJI POTENCIJALNE I KINETI KE ENERGIJE PLIME I OSJEKE 76

85 De an Ivanovi Ove elektrane koje bi radile na principu interakcije potencijalne i kineti ke energije plime i osjeke (Dynamic tidal power DTP) predstavljaju obe avaju u tehnologiju u bliskoj budu nosti, koja uklju uje izgradnju veoma duge brane koja bi išla paralelno sa obalom, iji je popre ni presjek u obliku slova T, slika 2.71, gdje svijetla boja prikazuje osjeku a tamnija plimu. Ova duga ka T brana bi ometala odbijanje hidrodinami kog plimnog talasa od obale stvaraju i razliku nivoa vode sa obje strane brane što omogu ava Slika 2.71 T - brana pokretanje itave serije dvosmjernih turbina instaliranih u branu a samim tim i proizvodnju elektri ne energije. Ovi osciliraju i plimni talasi velike hidrauli ne energije naro ito su prisutni u Kini, Koreji i Velikoj Britaniji, [72], [73], [74], [75]. Procjenjuje se da bi u neku od najve ih brana, duga kih i preko 30 km, mogli da se instaliraju kapaciteti i preko 15 GW ( MW), [76]. Brana sa 8 GW instalisanih kapaciteta i efikasnosti oko 30%, mogla bi proizvesti godišnje i do 21 TWh (milijardi kwh) elektri ne energije. Ako se u Evropi prosje no na godišnjem nivou po glavi stanovnika potroši oko 6800 kwh, to zna i da bi jedna ovako duga ka brana na plimu i osjeku mogla da snabdije energijom za godinu dana oko 3,1 milion Evropljana. Zbog deterministi ke prirode same plime i njene nezavisnosti od vremenskih prilika i klimatskih promjena, konverzija plimne u elektri nu energiju je veoma predvidljiva. Izlazna snaga turbina se mijenja zavisno od faza plime i osjeke, koje mogu prouzrokovati i poplave, ali to se može izbje i kombinovanjem dvije brane koje se postavljaju na odre enoj udaljenosti jedna od druge i to km u redu, tako dok jedna proizvodi maksimalnu elektri nu energiju, druga e generisati minimalnu energiju. Ovo obezbje uje prili no stabiilno optere enje energetske mreže, za razliku od energije vjetra ili solarne energije. Ove elektrane za svoj rad ne zahtijevaju naro itu visoku razliku nivoa plime i osjeku, ve isklju ivo duga ku i slobodnu obalu duž koje se prostire plima. Takvi plimni uslovi se mogu na i na mnogim mjestima u svijetu, tako da je teoretski potencijal ovakvih elektrana veoma visok. Na primjer, duž Kineske obale ukupan iznos raspoložive snage se procjenjuje na GW. Duga ka brana može tako e da posluži i u druge svrhe, kao što je zaštita obale, kontrolisanje dubine mora pri izgradnji luke za te ni prirodni gas, da se uklopi u objekte akvakulture, kao i da uspostavi vezu ime u ostrva i kopna. Sve 77

86 Hidroenergija ove dodatne funkcije mogu da u estvuju u dijeljenju troškova ulaganja, pomažu i da se snizi cijena po kwh. Testiranje koncepta ovakve elektrane na modelu malih dimenzija nebi bilo efikasno jer bi se dobila gotovo zanemarljiva snaga. To ak važi i za branu dužine 1 km, jer je princip rada ove elektrane takav da generisana snaga raste sa kvadratom dužine brane, tako da se procjenjuje da e ekonomska isplativost biti postignuta za brane dužine oko 30 km. U Kini se razmatra jedan demonstracioni projekat koji nebi podrazumijevao izgradnju brane, ve bi se koristio izgra eni kanal kroz duga ko poluostrvo, koji može omogu iti pad 1 2 m za pokretanje dvosmjernih turbina sli nih onom tipu koje se koriste kod ovih hidroelektrana za konverziju energije plime i osjeke u elektri nu energiju. Do sada nije nigdje u svijetu izgra ena brana za ovaj tip hidroelektrane, iako za njenu igradnju postoje svi neophodni tehnološki zahtjevi. Na eksperimentima su sprovedeni razli iti matemati ki i fizi ki modeli sa predvi enim padovima neophodnim za rad turbina. U Holandiji je ve prou ena interakcija plime i duga ke brane, kao i interakcija plime i prirodnog poluostrva, pa se ovi podaci upotrebljavaju za kalibraciju neophodnih numer kih modela za ovaj tip elektrane. Pri projektovanju neki od klju nih zahtjeva moraju biti uklju eni: 1) Dvosmjerne turbine sa malim padom sposobne za generisanje energije u oba smjera, a to zna i da su u pogonu i kad je plima i kad je osjeka. Ove turbine moraju biti prilago ene morskoj vodi sa dostizanjem efikasnosti i preko 75 %; 2) Metode izgradnje brane. To se postiže modularnim plivaju im kesonima, tj. betonskim gra evinskim blokovima, koji bi se izgradili na obali a potom bi se odvukli do mjesta lokacije brane; 3) Pogodna lokacija za branu. Pilot projekat za ovu elektranu može biti integrisan sa planiranim razvojnim projektima nekog primorja, kao što su: mostovi preko mora, veza ostrva i kopna, dupoka morska luka, vjetrogeneratora itd HIDROELEKTRANE SA MALIM PADOM Ove elektrane koriste pad do 20 m, i postavljaju se na rije nim tokovima ili na lokacijama gdje ima plimnih strujanja, i ne zahtijevaju branu radi obezbje ivanja tog pada, sobzirom da je on svega nekoliko metara. Ovaj obnovljivi izvor enegije ima minimalni uticaj na životnu sredinu. Hidroelektrane bez brana koriste kineti ku energiju vodenih tokova rijeka, kanala, preliva, sistema za navodnjavanje, plima i okeana [77]. Izgradnja brane nosi sobom mnoge uticaje na životnu sredinu. Tako pregra ivanje rijeke branom i stvaranje akumulacije blokira kretanje riba u oba pravca, i spre ava njihovo mriješ enje uzvodno. Isto tako se vegetacija nadolaze om vodom raspada i formira metan kao znatno gori gas staklene bašte od ugljendioksida. I zato hidroelektrane sa malim padom bez brane, mogu znatno redukovati

87 De an Ivanovi sljede e: 1) Izbjegava se rizik od poplava izazvanih probijanjem brane; 2) Ekološke komplikacije s obzirom da su potrebne riblje staze, kao i formirani mulj u akumulacijama; 3) Trošak projektovanja i izgradnje brane; 4) Održavanje, jer se mora ukloniti akumulirani muljh. Turbine sa veoma niskim padom, a koje su pogodne za upotrebu, razlikuju se od Fransisove, propelerne, Kaplanove ili Peltonove turbine, koje se ina e koriste u velikim hidroelektranama ENERGIJA TALASA To su elektrane koje koriste energiju talasa za proizvodnju elektri ne energije. Energija talasa spada u obnovljive izvore energije, i ovu energiju prouzrokuje najve im dijelom djelovanje vjetra na površinu mora ili okeana. Dnevne mijene plime i osjeke kao i stalne cirkulacije okeanskih struja uti u na snagu talasa. Za koriš enje energije talasa potrebno je odabrati lokaciju na kojoj su talasi dovoljno esti i dovoljne snage. Sa dubinom talasa njegova energija naglo opada, tako da na dubini od 50 m iznosi svega 2% od energije neposredno ispod površine. Na slici prikazano je kretanje estice u okeanskom talasu. Sa A je Slika 2.72 Kretanje cestice u okeanskom talasu ozna ena estica u dubokoj vodi, sa B je estica u plitkoj vodi, 1 pokazuje smjer talasa a 2 je vrh talasa. Slika prikazuje plutaju i objekat Plutajuci objekat Elipticna putanja Talasi Slika 2.73 Plutajuci objekat na talasu stvara elipticnu putanju koji se na talasu pomjera gore dolje stvaraju i elipti nu putanju. Snaga talasa se procjenjuje na oko 2 milijona MW, emu odgovara snaga od 10 kw na 1m talasne linije. Me utim, ta snaga varira zavisno od geografskog položaja, i to od 3 kw/m na Mediteranu do 90 kw/m na Sjevernom Antlatiku. Energija talasa se mijenja tokom vremena, jer ih u zimskom periodu ima više a i ve i su, i imaju slu ajni karakter. Proizvodnja snage iz talasa danas nije široko primijenjena isplativa tehnologija, iako još od godine postoje pokušaji njenog koriš enja [78]. U Portugalu 79

88 Hidroenergija se g. pokušalo napraviti tkz. farma talasa, koja se sastojala od tri Pelamis ure aja svaki snage po 750 kw, poznatijih pod nazivom morska zmija. Dva mjeseca nakon otvaranja, Pelamis ure aji su vra eni natrag u luku zbog tehni kih problema sa ležajevima [79]. Prvi poznati patent koji je koristio energiju okeana poti e još iz godine od strane Girarda [80], dok je godine Bochaux-Praceique konstruisao prvi ure aj za koriš enje snage talasa kako bi njime napajao svoju ku u blizu Bordoa u Francuskoj [81], i to je bio prvi tip sa primjenom osciliraju eg vodenog stuba [82]. Od do ve je postojalo 340 takvih patenata samo u Velikoj Britaniji [80]. Eksperimenti od strane Yoshio Masuda godine [83] su bili prvi pravi nau ni eksperimenti sa kojima je testirao razne koncepte predvi ene za iskoriš avanje energije talasa na moru, sa nekoliko stotina jedinica koriš enih za pogon navigacijskog svijetla. Me u njima je bio i koncept koji je pretvarao snagu talasa preko ugaonog kretanja me u zglobovima pluta e, i kojeg je patentirao godine [84]. Kako je godine zavladala naftna kriza, došlo je do ponovnog interesovanja za energiju talasa. Veliki broj univerzitetskih istraživa a je ponovo istražilo potencijal eksploatacije okeanskih talasa, me u kojima su se istakli Stephen Salter sa Univerziteta u Edinburgu, Kjell Budal i Johannes Falnes sa Norveškog Tehnološkog Instituta, David Evans sa Univerziteta u Bristolu, Michael French sa Univerziteta u Lankasteru, John Newman i Chiang C. Mei sa Masa usetskog Tehnološkog Instituta MIT u SAD. Kako se, me utim, u 1980-im godinama, cijena nafte spuštila, to su ulaganja u eksploataciju energije talasa drasti no opala. Ipak, nekoliko prvih generacija prototipova je testirano na moru. U posljednje vrijeme, s obzirom na problem u klimatskim promjenama, postoji pove ani interes za razvojem obnovljivih izvora energije, uklju uju i i energiju talasa, i to širom itavog svijeta [85] FIZI KI KONCEPT Dok se god talasi, koji nastaju zbog kretanja vjetra preko površine mora, kre u sporijom brzinom od brzine vjetra nad talasima, postoja e razmjena energije sa vjetra na talase. Zbog razlike u pritisku vazduha izme u prednje i zadnje strane talasnog brijega kao i zbog trenja na površini vode koje stvara kretanje vjetra, javlja se smi u e naprezanje koje uzrokuje porast talasa [86]. Visina talasa je odre ena brzinom vjetra, trajanjem duvanja vjetra, dometa tj. udaljenost preko kojeg vjetar pobu uje talase, dubinom kao i topografijom morskog dna koja može fokusirati ili ublažiti energiju talasa. Postoji jedna odre ena brzina vjetra preko koje talasi više ne rastu, i tada se kaže da je more potpuno razvijeno. Ina e, ve i talasi su ja i, i snaga talasa je odre ena njegovom brzinom, talasnom dužinom i gustinom vode. Na površini vode je najizraženije njeno oscilatorno kretanje koje opada eksponencijalno sa dubinom. Za stoje e talase u blizini obale, od koje se oni odbijaju, odnosno reflektuju, energija talasa je tako e prisutna i to zbog oscilacija pritisaka na 80

89 De an Ivanovi ve oj dubini, proizvode i mikroseizme ili mikro potrese. Ti skokovi pritisaka na ve im dubinama su ipak premali da bi bili interesantni sa gledišta eksploatacije snage talasa. Talasi su najja i na površini okeana i snaga talasa se prenosi, kako vertikalno, tako i horizontalno sa grupnom brzinom, koja predstavlja brzinu sa kojom ukupan oblik talasnih amplituda poznat kao modulacija ili envelopa talasa se širi kroz prostor. Srednja vrijednost transporta energije talasa kroz vertikaknu ravan po jedinici širine talasa naziva se talasni energetski fluks ili snaga talasa, i ne treba je miješati sa aktuelnom snagom dobijenom na nekom ure aju postavljenom da koristi energiju talasa. Na slici 2.74 je data fotografija elipti ne putanje djeli a vode ispod Slika 2.74 Elipticne putanje djelica vode ispod talasa u kanalu progresivnog i periodi nog površinskog gravitacionog talasa u kanalu, u kojemu je dubina vode h = 0, 7 6 m, visina talasa H = 0, 1 m, talasna dužina λ =1, 9 6 m i period T = 1, 1 2 s [87] SNAGA TALASA U dubokoj vodi, gdje je njena dubina ve a od polovine talasne dužine λ, slika 2.75, energetski fluks talasa P po jedinici dužine talasnog brijega, iznosi: 2 ρg 2 P = H m0t, gdje su: 64π ρ = Elevacija Brijeg Amplituda λ Talasna dužina 2.75 Talas Dolja kg / m gustina vode, g = 9,81 m/s 2 gravita ciono ubrzanje, H m0 (m) zna ajna talasna visina (obi no brijeg talasa) i T (s) talasni period. Ovaj izraz se esto daje u približnom obliku: 2 P 0, 5 H m0t (kw/s), iz kojeg se vidi da je snaga talasa P (kw/m) proporcionalna talasnom periodu T (s) i kvadratu visine talasa H m0 (m) [88], [89], [90]. Ako se u vidu primjera posmatraju srednji okeanski talasi u dubokoj vodi na nekoliko kilometara od obale, pri emu je talasna visina H m0 = 3 m, a talasni period T = 8 s, tada se na osnovu prethodnog izraza dobija 2 2 P 0, 5 H m 0T 0, kw/m, što zna i da je snaga talasa 36 kw po jednom metru talasnog brijega. 81

90 Hidroenergija Kod velikih oluja, najve i talasi daleko od obale, imaju visinu i po 15 m i talasni period oko 15 s, tako da prema navedenoj formuli ovi talasi posjeduju snagu od 1,7 MW po jednom metru dužine talasnog fronta, tj.: 2 2 P 0, 5 Hm 0 T 0, kW / m = 1, 7 MW / m. Me utim, ure aji koji koriste energiju talasa za proizvodnju elektri ne energije, mogu ta uzmu znatno manji dio od ove izra unate teorijske vrijednosti snage talasa. I kao rezultat toga, talasi e biti manje visine u regionu iza tog montiranog ure aja za konverziju energije talasa u elektri nu energiju ENERGIJA TALASNA I TALASNI ENERGETSKI FLUKS Prema linearnoj teoriji talasa [86], [91], srednja gustina energije E ( J/m 2 ) po jedinici površine ( 1 m 2 ) gravitacionih talasa na površini vode je proporcio 3 nalna gustini vode ρ ( kg / m ), gravitacionom ubrzanju g (m/s 2 ) i kvadratu 1 2 visine talasa H m0 (m), i iznosi [92]: E = ρgh m 0. Ova energija E ( J/m 2 ) 16 predstavlja zbir gustine kineti ke i potencijalne energije po jedinici površine. Na osnovu teorema klasi ne statisti ke mehanike, potencionalna energija je jednaka kineti koj energiji [86], i obje po pola doprinose ukupnoj energiji talasa E ( J/m 2 ). Kod okeanskih talasa efekti površinskih napona se zanemaruju kada su talasne dužine iznad nekoliko decimetara. Kako se talasi šire, njihova energija se transportuje, i brzina tog energetskog transporta se naziva grupna brzina. Kao rezulat toga, talasni energetski fluks P (W/s) kroz vertikalnu ravan po jedinici širine koja je normalna na pravac talasnog širenja, se daje u obliku [86], [93]: P = Ecg, gdje je c g (m/s) grupna brzina, koja ima razli ite vrijednosti za dubinu vode h (m) kod dubokih, srednjih i plitkih voda SVOJSTVA GRAVITACIONIH TALASA NA POVŠINI DUBOKE, SREDNJE I PLITKE VODE PREMA LINEARNOJ TEORIJI TALASA λ ω Fazna brzina c p (m/s) koja iznosi: c p = =, gdje je λ (m) talasna dužina, T k T (s) talasni period, ω 2π 2π = (rad/s) ugaona frekvencija i k = (rad/m) T λ talasni broj, za duboku vodu gdje je dubina vode h (m) ve a od polovine talasne g dužine λ (m), tj. h > 1/2 λ, glasi: c p = T, za plitku vodu ( h < 0,05 λ ): 2π c p = gh, i za srednju dubinu za sve λ i h : = gλ 2π c h p tanh 2π λ.

91 Grupna brzina c g (m/s) koja se prikazuje u obliku: duboku vodu ( h > 1/2 λ ) iznosi: c g = gh, i za srednju dubinu za sve λ i h : c Odnos c c g p c g za duboku vodu ( h > 1/2 λ ) iznosi: De an Ivanovi ( λ / c ) 2 p ω cg = c p =, za λ k g = T, za plitku vodu ( h < 0,05 λ ): 4π g 1 = c 2 c c g p p 4πh λ 4πh sinh λ 1 = 2, za plitku vodu ( h < cg cg 1 0,05 λ ): = 1, i za srednju dubinu za sve λ i h : 4πh 1 = 1+. c p cp 2 λ 4πh sinh λ g 2 Talasna dužina λ (m) za duboku vodu ( h > 1/2 λ ) iznosi: λ = 2π T, za plitku vodu ( h < 0,05 λ ): λ = T gh, i za srednju dubinu za sve λ i h pri datom talasnom periodu T (s), talasna dužina λ (m) se odre uje iz jedna ine: 2 2π T 2πg 2πh = tanh. λ λ KARAKTERISTIKE I MOGU NOSTI DUBOKIH VODA Duboke vode se odnose na one vode ije su dubine h (m) ve e od polovine talasne dužine λ (m), što je uobi ajena situacija kod mora i okeana. U dubokoj vodi talasi sa dužim talasnim periodom T (s) se šire, odnosno propagiraju, brže, pa se samim tim i brže transportuje njihova energija. Tako grupna brzina c (m/s) iznosi 50% od fazne brzine c p (m/s), dok je u plitkoj vodi kod koje je talasna dužina λ (m) ve a oko dvadeset puta od dibine vode h (m), a što je prili no esto blizu obale, grupna brzina c (m/s) jednaka faznoj brzini c p (m/s), [94]. g g IZAZOVI U KORIŠ ENJU ENERGIJE TALASA 83

92 Hidroenergija Glavni izaovi pri koriš enju energije talasa sa ciljem proizvodnje elektri ne energije su: 1. Ure aj ili naprava treba da zahvati dobar dio energije u nepravilnim talasima pri širokom spektru morskih stanja; 2. Uzeti u obzir jake fluktuacije snage u talasima; 3. Ure aj treba da uspješno pretvori kretanje talasa u elektri nu struju. Uopšteno govore i, snaga talasa je dostupna pri niskim brzinama talasa i sa velikom silom koja ne djeluje samo u jednom smjeru. Ve ina serijskih elektri nih generatora radi na ve im brzinama, a isto tako i ve ina serijskih turbina zahtijeva konstantan i miran tok; 4. Ure aj treba biti u mogu nosti da preživi ošte enja od oluja i koroziju zbog slane vode. Mjesta na kojima naprava može da zakaže su ležajevi, varovi, konopci za sidrenje, i zato konstruktori moraju napraviti prototipove tako predimenzionirane da je nepotrebno pitanje da li se isplate tolike investicije na tom podru ju; 5. Pošto je ukupna cijena elektri ne energije visoka, snaga talasa e biti uporediva tek onda kad se ukupna cijena proizvodnje energije smanji; 6. Iako buka i dizajn svake elektrane znatno varira, postoji potencijalna opasnost od uticaja na morski eko sistem. Ukoliko se ne vodi ra una uticaj buke bi, na primjer, mogao imati neugodan efekat [89]; 7. U smislu sociološko ekonomskih izazova, farme elektrana na talase mogu biti pogodne što se ti e smanjenja broja odgovaraju ih mjesta za komercijalni i rekreativni ribolov [95]; 8. Procijenjeno je da je ukupna snaga talasa oko MW, i da samo oko MW može biti iskoriš eno sa današnjom tehnologijom za proizvodnju elektri ne energije [96] POTENCIJALI ENERGIJE TALASA Talasi najve e snage se pojavljuju na zapadnim obalama i to na podru ju od 40 do 60 stepeni geografske širine na sjevernoj i južnoj hemisferi, slika Energija talasa na tom podru ju varira izmedu 30 i 70 kw/m a može biti i do 100 kw/m u Atlantiku. Za vrijeme zime visina talasa je najviša, a to se i poklapa sa vremenom najve e potrošnje elektri ne energije. Kineti ka energija talasa po inje da se efikasno transformiše u elektri nu energiju kada je visina talasa ve a od 1 m. Kad se odre uje prikladnost talasa eksplataciji ne može se uzeti samo parametar snage po dužnom metru, ve i amplituda, frekvencija i 84

93 De an Ivanovi oblik talasa su podjednako važni parametri koji se moraju tražiti unutar energetski prihvatljive zone talasa. Slika 2.76 Talasi u Jadranskom moru Zbog prirodnog potencijala talasa, visokog tehnološkog stepena današnjeg razvoja, kao i zbog velikih energetskih zahtjeva i ekološke svjesti, najdalje u razvoju komercijalnih elektrana na talase su došle visoko industrijalizovane pomorske zemlje Velika Britanija, Japan, Skandinavske zemlje i Australija. Sjeverne i južne tempe raturne zone imaju najpogodnija pod ru ja za eksploataciju snage talasa. Ako su kategorisana po metodi kojom prihvataju talase, danas su uglavnom poznata tri na ina koriš enja energije talasa, i to preko pluta a, pokretnog klipa i njihalica ili lopatica. U fazi istraživanja i ispitivanja su još crijevna i McCabova pumpa, uškaš, kao i morska zmija. Mogu se podijeliti još i po lokaciji, odnosno kao elektrane na talase na otvorenom moru i na morskoj obali. Me utim, ni jedan od navedenih na ina za koriš enje energije talasa ne može danas konkurisati klasi nim izvorima elektri ne energije. Ina e, talasi su vrlo predvidljivi ak i pet dana unaprijed SALTEROVA PATKA Godine 1974., zbog tadašnje naftne krize, profesor S. Salter sa Univerziteta u Edinburghu, zapo eo je istraživanja vezana za energiju talasa i usavršio je ure aj Salterova patka ili Klimaju a patka, iako je službeno nazvana Edinburška patka. Ovaj ure aj je samo jedan od mnogih oblika pretvara a energije talasa (wave energy converter WEC), koji potencijalno može snagu talasa pretvoriti u korisnu energiju. Za vrijeme naftne krize, kada je alternativna energija dobivala puno zamaha, to Salterova patka je bila najzanimljivija mogu nost. Od tada, i drugi su uspješno izradili neke druge vrste pretvara a energije talasa, poput ure aja Pelamis u Portugalu, a koji se sastoji od niza cilindri nih ure aja koji pogone generatore. Pelamis je ina e konstruisan od strane Salterovih bivših studenata. Me utim, u pore enju sa Salterovom patkom, ti moderni ure aji su sa relativno manjom efikasnoš u. Salterova patka, koja spada u klasu pretvara a energije talasa (WEC), poznata je kao terminator, s obzirom da postavljena normalno na smjer talasa i uništava talase koji nailaze, ostavljaju i mirnije more sa druge strane. Patka je oblikovana poput kapljice, a mnoge od tih kapljica su spojene na duga ku sajlu i ine cijeli Salterov sistem. Nos kapljice je okrenut prema nadolaze im talasima i kapljice se klate kako oni prolaze, što zna i da to uklju uje prenos ili zarobljavanje energije 85

94 Hidroenergija talasa, slika Ovaj proces njihanja kapljica bi mogao da sakupi i do 90% ukupne energije talasa [97], i ta energiju bi se kori stila da održi klipove u pokretu, koji naizmjeni no kompimuju hidrauli ko ulje. Kada je ulje dovoljno komprimi rano, ono ulazi u hidrauli ki motor, gdje se proizvodi elektri na energija. Cijeli sistem bi teorijski trebao da iskoristi oko 90% sa uvane energije, tako da ova visoka energe tska efikasnost ini patku najboljim od svih pretvara a energije talasa, odnosno WEC-a. Salter i njegovi saradnici testirali su patku u posebnim rezervoarima sa vješta ki proizve de nim talasima, ali prije nego su bili u 86 Slika 2.77 Salterova patka mogu nosti testirati patku na moru, procijenili su da su bili blizu proizvo dnje elektri ne energije pod dovoljno niskim troškovima da bi mogli konkurisati drugim izvorima energije [98]. Kada je prošla naftna kriza, interesovanje za obnovljivu energiju nije u potpunosti iš ezlo. Salter i saradnici morali su se nadmetati za subvencije sa drugim obnovljivim izvorima, poput nuklearne energije. Pošto se smatralo da je nuklearna energija sa ekonomske ta ke gledišta izvodljivija, Salterova grupa je izgubila nov anu potporu u ranim godinama, prije i nego su dobili priliku testirati mehanizam na okeanu, što je trebalo prili no da košta, sa ubje enjem da su nuklearni zagovornici preuveli ali troškove struje koju bi patka proi zvo dila. Da su Salterovu grupu nastavili sa finansiranjem, možda bi danas patka bila primijenjena u svijetu, obezbje uju i dio svjetske energije. Me utim i da je patka uspjela, mnogi tvrde da bi je samo djelovi svijeta pogo eni jakim talasima mogli koristiti, što zna i da iako je možda mogla riješiti naftnu krizu u Škotskoj, koja je poga ana velikim talasima na obali, vjerojatno je ne bi ni mogla riješiti u SAD-u, gdje samo odre eni djelovi morske obale imaju jake talase [99] ELEKTRANE NA TALASE NA MORSKOJ OBALI Prednosti izgradnje elektrana u neposrednoj blizini obale u odnosu na Ulaz vazduha Izlaz vazduha plutaju e sisteme su sljede e: 1. lakša izgradnja jer se koriste klasi ne gra e vinske mašine; 2. lakše Turbina održavanje postrojenja jer nijesu potrebni ronioci i brodovi; 3. lakša i brža kontrola i zamjena pokvarenih Sm jer dijelova; 4. mogu služiti i kao Talasa lukobran. Jedan od na ina rada hidroelektrane na talase prikazan je Slika 2.78 Prikaz rada elektrane na talase na slici Generator

95 De an Ivanovi Ure aj radi tako što talasi svojim kretanjem uzrokuju pokretanje nivoa vode u zatvorenom stubu prilikom ega dolazi do potiskivanja vazduha kroz turbinu na vrhu stuba. Najve i uspjeh je elektrana Limpet nazivne snage 500 kw koja je uspješno uklju ena u elektrosistem Škotske. Tehni ka ograni enja ovih konstrukcija su: 1. izbor pogodne lokacije, a to zna i što dublje more i što ve i talasi; 2. mala energetska efikasnost turbine zbog stohasti ne prirode talasa, a samim tim i protoka; 3. niski stepen efikasnosti Wellsove turbine, slika 2.79, tj %, jer je to dvosmjerna turbina, simetri nog profila lopatica koja koristi usis i isis vazduha kao prednost nad ventilima s obzirom da oni imaju potrebno odre eni period za djelovanje a i trajnost sistema opada. Wellsova turbina je ustvari niskopritisni vjetroagregat, koji se može okretati neprestano, bez obzira da li vazduh ulazi u turbinu ili se vra a, imaju i 2.79 Wellsova turbina u vidu da je turbina dvosmjerna. Njegove lopatice li e krilu aviona (aeroprofil krila), slika 2.81, ali su za razliku od njega simetri ne, što smanjuje nešto stepen iskorištenja turbine, i on iznosi od 0,4 do 0,7. Wellsovu turbinu je otkrio Alan Arthur Wells, profesor na Univerzitetu u Belfastu. Prvi put se Wellsova turbina ugradila na probnoj elektrani na talase LIMPET, i to 1991., na škotskom ostrvu Islay, slika Prvi prototip koji je ugra en 1991., imao je snagu 75 kw, dok je godine, na istom ostrvu sagra ena druga elektrana na talase, koja je imala snagu 500 kw, [98]. U španskom mjestu Mutri ku, u 2.80 Šematski prikaz LIMPET elektrane lukobranu, spolja nevidlji va, nalazi se vrlo moderna elek trana na morske talase, tj. pos trojenje od 300 kw koje je 2011.godine pušteno u pogon i danono no proizvodi elektri nu struju, i zasad strujom snabdijeva oko 600 ljudi, i u sklopu ovog postrojenja nalazi se 16 Wellsovih turbina, [99], [100], [101], [102], U Velikoj Britaniji zapo elo se sa još dva 2.81 Wellsova turbina projekta, koja su u izgradnji, i to: elektrana na talase Orkney (Škotska), 87

96 Hidroenergija snage 2,4 MW i elektrana na talase Siadar (Škotska), snage 4 MW, i obje e koristiti Wellsove turbine, [103], [104]. Na slici 2.82 dat je prototip Mighty- Whale osciliraju eg vodenog stuba (Oscilating Water Column OWC) i taj ure aj je ispitan u Japanu. Razlikuje se od ostalih OWC po tome što talasi horizon talno ulaze u usisnu komoru OWC. Slika 71. Slike su vezane za pilot projek ART- OSPREY (fotografija A. Lewisa) prilikom polaganja ure aja došlo je o njegovog uništenja Slika 2.82 Pprototip Mighty-Whale OWC uredaja LJULJAJU I URE AJ Ovaj ure aj funkcioniše tako što se kineti ka energija talasa pretvara u rad kretanja zaustavne plo e i hidrauli ke pumpe koja pogoni generator. U Japanu postoji eksperimentalni model, ali tehni ki podaci o konstrukciji i rezultati mjerenja nijesu poznati, Hidraulicka pumpa slika Ulazni talas ELEKTRANE NA TALASE NA OTVORENOM MORU Prednosti izgradnje elektrana Ljuljaška na otvorenom moru su: 1. Iskoriš enost talasnog potencijala je bolja i Faradejev kavez ve a je raspoloživa površina za polja Slika 2.83 Ljuljajuci uredaj elektrana, a tim ujedno i ve a ukup na snaga za odre enu lokaciju; 2. mogu nost napajanja offshore objekata; 3. mogu nost napajanja raznih tipova senzora kao auto nom nim energetskim sistemom. Nedostaci plutaju ih objekata na otvorenom moru su njihova pouzdanost uslijed korozivne i mehani ki nepredvidljive okoline. Kako je offshore naftna industrije danas u velikom razvoju mnogo toga je mogu e tehni ki izvesti u izgradnji ovih elektrana, što nije bilo mogu e prije 30 ili 40 godina, kada su ti projekti i tada bili ekonomski veoma zanimljivi PLUTA E Slika 2.84 Plutaca Snaga ovih ure aja, slika 2.84., se kre e do 50 kw, i njihova prednost im je u mogu nosti polaganja velikog broja na odre enoj površini ime se nadokna uje mala pojedina na snaga, i posebno su 88

97 De an Ivanovi interesantni za aktivne okeanske senzore kao što su svjetionici, mamci za ribe, sonare, komunikacijske repetitore i sl ARHIMEDOVA TALASNA LJULJAŠKA (ARCHIMEDES WAVE SWING-AWS) Ova ljuljaška na talasima sastoji se od cilindri ne, vazduhom napunjene komore koja se može pomjerati vertikalno u odnosu na usidreni cilindar manjeg pre nika. Vazduh u 10 do 20m širokom gornjem plutaju em cilindru omogu uje njegovo plutanje. Kada talas pre e preko pluta e njena dubina se mijenja u skladu sa promjenom pritiska uzrokuju i njeno pokretanje gore-dolje. Relativno kretanje izme u usidrenog i plutaju eg dijela se koristi za proizvodnju energije. Do sada najve a snaga izgra ene AWS elektrane iznosi 2 MW., i nalazi se u Portugalskom akvatoriju. Slika 2.85 Šematski prikaz AWS Slika 2.86 Prototip koji se isprobava u Portugalu MORSKA ZMIJA (PELAMIS) Zglobni plutaju i prigušnik Pelamis ili samo Pelamis se sastoji od serije poluuronjenih valjkastih sekcija, koje su zglobno povezane, a prigušni ure aj pretvara samo dio energije talasa u elektri nu energiju i na taj na in može da preživi velike oluje [105], [106]. Talas stvara relativ no kretanje valjkastih sekc ija, a hidrauli ka pumpa po mjera visokopritisno ulje kroz hidrauli ki motor, koji pogoni elektri ni generator. Dobijena elektri na energi ja se sa svih veza prenosi jednim jedinim kablom na spojnicu, na morskom dnu [107], [108], i nekoliko ure aja može biti me usobno povezano i spojeno sa obalom jednim kablom. Prigušnici ili atenuatori se uvijek postavljaju paralelno širenju talasa. Ovaj ure aj radi radi na principu spojenih pluta a, koje pretvaraju vertikalno pomjeranje talasa u horizontalno pokretanje klipova pumpi na kardanskom principu. Sistem je u potpunosti odvojen od mora. Radi tako da pumpa sabija vazduh u rezervoar, koji zatim pokre e vazdušnu turbinu i elektri ni generator. Na taj na in je postignuta jednolikija rotacija generatora manje zavisna od stohasti ne prirode talasa. Ure aj je u fazi izrade prototipa i ispitivanja u radnim uslovi ma u škotskom akvatoriju [109], [110]. Dimenzije ure aja su 120 m dužine, pre nika 3,5 m i mase 750 tona, a maksimalna snaga 89

98 Hidroenergija je 750 kw, slika 2.87, i slika Pod a) je prikazan prednji dio zglobnog plutaju eg prigušnika Pela mis P-750, u hidro elektrani a) na talase Aguça doura (Portu gal), pod b) su dva od tri zglobna plutaju a prigušnika Pelamis P-750, i pod c) je dat b) prototip morske zmije na lokaciji EMEC-a (Evropski pomorski energetski institut). c) Tri metalne zmije duge oko 150 metara trebalo je da proizvode struju za oko Slika Morska zmija (Pelamis) ljudi, ali kako je bilo tehni kih problema, firma je ostala bez sredstava, i postrojenje je u me uvreme Slika 2.88 Prikazi morke zmije nu napušteno. Ipak, najve i svjetski privatni energetski koncern E.ON i dalje polaže nade u postrojenje Pelamis i ve je razvio usavršeni model, koji je godine ugra en na ostrvima ispred Škotske obale, gdje se isprobava [110]. Hidroelektrana na talase Aguçadoura, slika 2.87 je prva komercijalna elektrana na talase, i otvorena je 2008.godine, kod Aguçadora Wave Parka, u Portugalu. Koristila je 3 zglobna plutaju a prigušnika Pelamis P-750 i imala je ukupno instaliranu snagu 2,25 MW. Zimi te iste godine elektri ni generatori su izva eni iz mora, a po etkom godine projekat je zaustavljen na neodre eno vrijeme. Druga faza projekta u kojoj je trebalo biti ugra eno dodatnih 25 Pelamis P-750 ure aja i koja je trebala pove ati snagu na 21 MW, je u pitanju zbog povla enja nekih partnera s projekta MCCABOVA PUMPA NA TALASE 90

99 De an Ivanovi McCabeova pumpa na talase je u razvoju od 1980.godine i originalno je dizajnirana za desalinizaciju morske vode koriste i reverznu osmozu, i ovi ure aji izvla e energiju iz talasa pomo u rotacije ponto na oko nosa a preko linear nih hidrauli kih pumpi, slika Konstrukcije mogu biti sa zatvorenim krugom koris te i ulje ili sa otvorenim kru gom koriste i morsku vodu CRIJEVNA PUMPA Ovaj ure aj se sastoji od Slika 2.89 Šema konstrukcije McCabove pumpe elasti nog crijeva koji sma njuje unutrašnju zapreminu dok se rasteže. Crijevo je povezano za plovak koji oscilira sa površinskim tala sima. Rezultiraju e pritiskanje vode u crijevu pomjera vodu vani kroz protiv povratni ventil na turbinu. Niz takvih pumpi mogu da se povežu na centralnu turbinu za ve e sisteme, slika 2.90 i UŠKAŠ (FLAPPER) Polaže se na otvorenom Slika 2.90 Neka tehnicka rješenja crijevne pumpe moru pomo u pontona ili bova. Ure aj se sastoji od niza plutaju ih pontona koji su oblikovani poput bregaste osovine, tako da je svaki ponton u principu zub koji rotira odvojeno prilikom prelaska talasa preko njega. Na taj na in se pogone kapilarne pumpe koje pomjeraju radni medij kroz Slika 2.91 Crijevna pumpa snage 20 kw Slika 2.92 uškaš 91

100 Hidroenergija zajedni ko crijevo na turbinu. Zbog vertikalnog položaja na talase ure aj je pogodan za nemirno more kao i oluje, slika URE AJ U OBLIKU ZMAJA Ovo je plutaju i usidreni pretvara energije talasa u elektri nu energiju, i nalazi se na sjeveru Danske, kao prvi u svijetu off-shore pretvara, slika Ovaj ure aj u obliku zmaja je zajedni ki EU istraživa ki projekat, koji uklju uje partnere iz Danske, Njema ke, Austrije, Portugala, Irske, Velike Britanije i Švedske, [111]. Prvi prototip težine 237 tona je testiran godine, koje je trajalo sve do 2005.god. Ovaj pretvara energije se može postaviti u moru kao jedna cjelina, ili u nizovima do 200 Slika Uredaj u obliku zmaja jedinica, iji bi se kapacitet tada mo gao porediti i sa tradicionalnom elektranom na fosilna goriva. Ure aj uklju uje postoje u, i ispitanu off-shore Prelivanje tehnologiju hidroturbina, tako da je Rezervoar primijenjena Kaplanova turbina testirana na Tehni kom Univer zi Izlaz Turbine tetu u Minhenu. Ova turbina koristi sifonski ulaz, dok narednih 6 ins taliranih turbina e biti opremljene sa cilindri nom kapijom koja e startovati i zaustavljati vodu na ulazu u turbinu, [112], slika Slika 2.94 Konstrukcija uredaja u obliku zmaja Ure aj se sastoji od dva talasna reflektora koji usmjeravaju talase prema rampi. Iza rampe veliki rezervoar, koji se nalazi iznad nivoa mora, sakuplja i privremeno skladišti usmjerenu vodu, koja zatim kroz hidroturbine napušta rezervoar, slika 2.94, [113]. Tri su koraka pretvaranja energije: 1) Prelivanje; 2) Skladištenje u rezervoaru i 3) Dobijanje snage preko turbine sa niskim padom. Glavne komponente ure aja su: 1) Glavno tijelo sa dvostruko zakrivljenom rampom izgra eno od armiranog beto na i/ili od elika; 2) Dva talasna reflektora tako e od armiranog betona ili elika; 3) Sistem za sidrenje; 4) Propelerne turbine i 5) Generatori sa stalnim magnetom [113]. Ovi ure aji za konverziju energije koriste isklju ivo kretanje fluida ili njegov pritisak, i ne sadrže kao drugi ure aji osciliraju e vodene ili vazdušne stubove i žiroskopsko-hidrauli ke elemente. Ovo je teška i izdržljiva konstrukcija i sadrži samo jednu vrstu pokretnih djelova, a to su turbine. Ovo je suštinski važno za bilo koji ure aj koji radi u off- shore zoni, gdje ekstremni 92

101 De an Ivanovi uslovi mogu ozbiljno uticati na bilo koje pokretne djelove ure aja. Testiranje modela ovog ure aja je obavljeno zbog: 1) optimiziranja prelivanja; 2) detaljnijih hidrauli nih odgovora na turbini; 3) redukovanja naprezanja na talasnim reflektorima i 4) smanjenja troškova izgradnje, održavanja i operativnih troškova. Glavno tijelo ili platforma se sastoji od jednog velikog plutaju eg rezervoara. Da bi platforma bila stabilna, i da bi se izbjeglo njeno ljuljanje na talasima, ona mora biti i velika i teška. Prototip u Danskoj je u obliku broda i to je jedna konstrukcija, slika 2.93, sastavljena od eli nih plo a debljine 8 mm. Težina elika glavnog dijela ure aja i rampe iznosi 150 tona, tako da je potrebno dodati još 87 tona vode, da bi sa ukupnom težinom ure aja od 237 tona, on mogao stabilno da radi DRUGE KONSTRUKCIJE ZA KONVERZIJU ENERGIJE TALASA Na slici 2.95 su date neke druge konstrukcije sa kojima je teorijski mogu e iskoristiti energiju talasa [50]. Slika 2.95 konstrukcije sa kojima je teorijski mogu e iskoristiti energiju talasa 93

102 Hidroenergija 2.6. DOBIJANJE ENERGIJE OSMOZOM To je proces dobijanja elektri ne energije na osnovu procesa osmoze. Elektrane koje rade na principu osmoze sastoje se od dva rezervoara koja su ispunjena vodom razli itog stepena saliniteta. Salinitet je ina e stepen slanosti rastvora natrijumovog hlorida u vodi, i prikazuje se u promilima težine, a to zna i da salinitet od 1 promila pokazuje da je u kilogramu vode rastvoren 1 gram soli. Salinitet je jedno od najvažnijih svojstava morske vode, i prosje na slanost iznosi oko 35. Tako su slanija ona mora koja primaju manju koli inu padavina i koja imaju manji dotok teku e vode, a intenzivnije isparavaju. U suprotnim slu ajevima slanost je manja. Visoki salinitet Crvenog mora i to od 40 objašnjava se veoma jakim isparavanjem, kao i 94 Površinski salinitet u promilima Slika 2.96 Površinski salinitet mora i okeana u promilima vrlo malim doticanjem teku e vode. Tako e, salinitet Balti kog mora iznosi samo 6, što je posljedica velikog priticanja i relativno slabog isparavanja. Važno je napomenuti da se slanija mora sporije zale uju, slika Zbog razlike koncentracije natrijumovog hlorida izme u dva rezervoara ispunjenih te noš u dolazi do pojave osmoze. Osmoza je proces difuzije rastvora koja se uo ava pri razdvajanju dviju rastvorenih te nosti selektivno polupropusnom membranom, koja je propusna na rastvara ali ne i na rastvorenu materiju. Rastvara se, zbog razlika u koncentracijama rastvorenih materija, tj. jona ili mole kula, preko membrane kre e sa mjes ta ve e na mjesto manje koncentra cije, kako bi se izjedna ile koncentra cije sa obje strane membrane. Osmo za se objašnjava na taj na in što rast vorene materije sa ve om koncent racijom sadrže i ve u koli inu slobo Slika 2.97 Kompjuterska simulacija osmoze dne energije, pa s ozirom da polupro pusna membrana propušta samo molekule rastvora, a ne i rastvorene materije,

103 De an Ivanovi molekuli rastvara a teže da pro u kroz membranu sa mjesta ve e slobodne energije na mjesto manje energije, slika Za vrijeme difuzije molekula rastvara a kroz membranu dolazi do porasta nivoa te nosi na jednoj strani membrane i smanjenja nivoa te nosti na drugoj strani. Ovaj porast nivoa te nosi sa jedne strane membrane stvara hidrostatski pritisak koji se suprotstavlja osmozi tj. osmotskom pritisku koji djeluje na membranu, tako da kada se ova dva pritiska izjedna e, uspostavlja se ravnoteža a Slika 2.98 Osmoza time se i završava proces difuzije, što zna i da više ne e do i do podizanja nivoa te nosti. Pritisak pri kome se uspostavlja ova ravnoteža naziva se efektivni osmotski pritisak. Osmotski pritisak je ve i što je koncentracija rastvora ve a, i obrnuto. Molekuli rastvara a teže difuziji iz rastvora sa nižom u rastvor sa višom koncentracijom rastvorene materije. I zato koncentracija natrijumovog hlorida u odvojenim rezervoarima teži izjedna avanju, pa slatka voda po inje, kroz polupropusnu membranu koja osigurava jednosmjeran tok vode, proticati u rezervoar sa slanom vodom, slika Pritisak, koji se javlja u rezervoaru slane vode, jednak je pritisku na dubini od 120 metara pod morem, pa ga je mogu e iskoristiti za pogon turbine u generatoru. Prema tome, tehnologija dobijanja energije osmozom u potpunosti se oslanja na obnovljivim izvorima [114], [115], [116]. Ina e, difuzija je spontani transport materije ili energije pod uticajem odgovaraju eg gradijenta iz zone više u zonu niže energije ili koncentracije. Kao i mnogi spontani procesi, difuzija je entropijski vo en proces u kojemu se energija ili materija koja difunduje uniformno raspore uje u raspoloživom prostoru podižu i time entropiju sistema. Svaki proces difuzije odvija se pod uticajem odgovaraju eg gradijenta. Tako se difuzija materije odigrava pod uticajem gradijenta koncentracije, dok difuzija toplote pod uticajem gradijenta temperature. Difuzija je direktna posljedica drugog principa termodinamike, koji kaže da entropija nekog neravnotežnog sistema može samo da raste, sve dok sistem ne do e u ravnotežu. S obzirom da materija difunduje iz oblasti ve e koncentracije u oblast manje koncentracije, sistem prelazi iz ure enijeg u manje ure en sistem, a to zna i da entropija raste. Difuzija se kvantitativno opisuje Fikovim zakonima (prvi i drugi). Prvi Fikov zakon kaže da je fluks (J) proporcionalan gradijentu koncentracije (c), dok se drugi Fikov zakon izvodi iz jedna ine kontinuiteta. U jednodimenzional c J nom sistemu jedna ina kontinuiteta glasi: =, gdje je x pravac odvija t x 95

104 Hidroenergija nja procesa, a t vrijeme. Prvi Fikov zakon glasi: J c = D, a drugi: x c D c x =, pri emu za konstantan koeficijent difuzije D drugi Fikov t x 2 c c zakon izgleda: = D. Rešavanje ove difuzione jedna ine je po pravilu 2 t x veoma komplikovano, i mogu e ju je riješiti samo uz pomo primene numeri ke matematike. U gasovima i te nostima kretanje estica kao što su joni, molekuli, ili koloidne estica, prouzrokuje miješanje dviju ili više materija, dok u kod vrstih materija atomi i joni razmjenjuju mjesta u kristalnoj rešetki. Difuzija je najbrža u gasovima, sporija je u te nostima, a najsporija u vrstim materijalima. Kao što govori prvi Fikov zakon difuzije brzina difuzije materije u nekom smjeru srazmjerna je gradijentu koncentracije, i uglavnom se pove ava sa porastom temperature, jer se estice kre u brže, a smanjuje se sa porastom gustine. Veoma važna za mnoge biološke procese (osmoza) kao i hemijske reakcije. Na difuziji su zasnovani neki tehnološki procesi kao što je proizvodnja elektronskih poluprovodni kih komponenata, zatim oblikovanje površinskih slojeva u metalurgiji, difuzijska vakuumska pumpa itd. Tokom sedamdesetih godina prošlog vijeka profesor Sidney Loeb u SAD-u, razvio je koncept dobijanja energije osmozom. Zbog niske cijene elektri ne energije u to vrijeme ozbiljan razvoj nije planiran. Me utim, koncept je godine prezen tiran norveškoj firmi Statkraft, tako da se u decembru godi ne otvara prvi prototip osmotske elektrane u Toftu, Norveška, slika Instalisana snaga prototipa elektrane iznosi 10 kwh i primar na svrha prototipa je daljnje istraži vanje i razvoj tehnologije Slika 2.99 Prototip osmotske elektrane u Toftu, Norveška 96 [117]. Pokazalo se da je glavna prepreka do potpune komercijalne elektra ne, ustvari relativno niska efikasnost polupropusne membrane koja trenutno iznosi 1 W/m 2, a cilj istraživanja je dosti i efikasnost od 5 W/m 2, tako da se o ekuje da e potpuna komercijalna elektrana biti u pogonu do 2015, slika 2.99, [114]. Svugdje gdje se susrije u slatka i slana voda mogu e je graditi osmotske elektrane, i energija proizvedena u ovim elektranama u potpunosti je obnovljiva

105 De an Ivanovi energija bez emisija štetnih gasova, i kao takva u potpunosti je neutralna prema okolini. Godišnji svjetski potencijal osmotske energije procjenjen je na oko 1600 milijardi kwh, a to je polovna godišnje proizvodnje energije u Evropskoj uniji, [114], [115] KONVERZIJA TOPLOTNE ENERGIJE OKEANA Konverzija toplotne energije okeana (Ocean thermal energy conversion- OTEC) je postupak dobijanja elektri ne energije pomo u temperaturske razlike izme u dubokih i plitkih slojeva okeana. Ova temperaturska razlika omogu ava pokretanje toplotne mašine, a samim tim i generatora. Ukoliko je razlika temperature izme u slo jeva okeana ve a, efika snost i snaga su time Širina Ekvator Temperaturskarazlika izmedu površine i dubine okeana od 1000 m Manje od Dužina Više od Dubina manja od Slika Temperaturska razlika izmedu površine i dubine okeana od 1000 m bolje. Temperaturska razlika izme u dubokih i plitkih slojeva okeana se pove ava sa opadaju om geografskom širi nom, tj. blizu ekvatora i tropskog pojasa, slika 2.100, [118]. Naj eš a tempe ratura površine okeana iznosi 27 C, a u dubo kim vodama tempera tura rijetko pa da ispod 5 C. Osnovni tehni ki izazov OTECa je proizvesti zna ajan dio energije iz jako ma lih temperaturskih razlika. Maksimalna teorijska efikasnost ovog sistema se postiže sa pove avanjem efikasnosti toplotne razmjene u novijim konstrukci jama. Kako Sunce neprestano grije okeane i mora koji prekrivaju skoro 70% Zemljine površine, smatra se da oni sadrže veliki energetski potencijal koji bi se mogao upotrijebiti za proizvodnju energije i toplote. Pod uslovom da se tehnologija pokaže ekonomski isplativa i da se krene u masovnu upotrebu, ovaj obnovljivi izvor energije, mogao bi riješiti sve energetske probleme u svijetu. Ukupna raspoloživa energija je jedan ili dva puta ve a nego kod ostalih tehnologija vezanih za okean, kao što je naprimjer energija talasa. Me utim, male temperaturske razlike izme u dubokih i plitkih slojeva okeana ine ovu tehnologiju, upore uju i je sa drugim tehnologijama, prili no skupom, i to najprije zbog niske toplotne iskoristivosti. Ustvari to je i jedan od klju nih 97

106 Hidroenergija problema ovog sistema. Raniji sistemi za konverziju toplotne energije okeana su imali iskoristivost od 1 do 3%, a teorijski se smatra da je maksimalna iskoristivost od 6 do 7%,[119]. Smatra se da e trenutni sistemi koji se razvijaju raditi blizu maksimalne toplotne iskoristivosti. Morska voda, iako je besplatna, ima odre ene troškove koji su vezani za transport vode iz okeana, kao što su troškovi pumpi i njihovih materijala. Ipak, iako OTEC sistemi imaju nisku efikasnost, oni mogu funkcionisati kao energetski sistemi koji e mo i pokrivati minimalnu potražnju energije. Smatra se, da kada ova metoda postala jeftinija i postala konkurentna s ostalim konvencionalnim tehnologijama tada bi OTEC mogao proizvoditi gigavate elektri ne struje i zajedno sa elektrolizom bi mogao prozvoditi dovoljno vodonika koji bi potpuno nadomjestio potrošnju svih globalnih fosilnih goriva. Ina e, svi OTEC sistemi koriste skupe, velike dovodne cijevi koje su uronjene više od kilometar u okean, i to sve sa ciljem dovo enja jako hladne vode na površinu, tako da je upravljanje troškovima i dalje glavni izazov za ovu tehnologiju. Još godine francuski fizi ar Jacques Arsene d'arsonval, pokušao je prvi iskoristiti toplotnu energiju okeana. Tek je godine njegov student, Georges Claude uspio izgraditi prvo OTEC postrojenje na Kubi, [120], [121], koje je proizvodilo 22 kw elektri ne energije pomo u niskopritisne turbine, [122]. S vremena na vrijeme, postojalo je mnogo pokušaja razvijanja ovakve vrste tehnologije. I Nikola Tesla je isto tako prepoznao mogu nost iskoriš ava nja ovakvog oblika energije, ali je na kraju došao do zaklju ka kako bi takva tehnologija bila neprakti na za široku upotrebu, [123]. Claude je godine izgradio još jedno postrojenje koriste i teretni brod od tona kojeg je usidrio kod obale Brazila. Me utim, loše vrijeme i talasi uništili su postrojenje prije nego što su generatori po eli proizvoditi elektri nu energiju [122]. Francuski nau nici su godine po eli sa konstrukcijom postrojenja od 3 megavata za Abidjan, tadašnji glavni grad Obale Slonova e, ali zbog velikih koli ina jeftine nafte 50-ih godina prošlog vijeka postrojenje nije završeno. J. H. Anderson i J. H. Anderson godine završavaju ono što je Claude zapo eo, tako što su se koncentrisali na razvoj novih i Slika OTEC pogon na obalama Havaja efikasnijih elemenata konstrukci ja, i godine, patentirali su svoj sistem zasnovan na zatvorenom ciklusu [124]. Iako nema nikakvog potencijala Japan je znatno doprinio razvoju OTEC tehnologije i to najviše 98

107 De an Ivanovi zbog izvoza tehnologije u druge države. Japanska elektroprivreda je godine uspješno izgradila i postavila 100 kilovata OTEC postrojenje tipa zatvorenog ciklusa na ostrvskoj državi Nauru [125]. Postrojenje je krenulo u rad godine i prozvodilo je 120 kilovata elektri ne energije, tako što je 90 kilovata upotrijebljeno za rad samog postrojenja, a ostatak struje se upotrebljavalo za snabdijevanje škole i ostalih lokacija na ostrvu. Ovo je postavilo novi svjetski rekord u proizvodnji struje pomo u OTEC sistema gdje je struja poslata na pravu elektri nu mrežu [126] godine SAD su se uklju ile u istraživanje OTEC sistema, i na Havajima je osnovana laboratorija koja je ubrzo postala vode i svjetski centar za istraživanje OTEC tehnologije. Zbog tople Slika OTEC sistem u Indiji površin ske vode, i lako dostupne duboke i hladne vode, kao i zbog injeni ce da troše najviše struje, Havaji se nalaze na najboljem položaju u SAD-u za iskoriš avanje ove vrste energije, slika , [127]. Tako e je i Indija postavila OTEC postrojenje od 1 megavat, slika 2.102, [128], i Indijska vlada je i dalje veliki sponzor u istraživa nju plivaju ih OTEC postrojenja PRINCIP RADA URE AJA Princip rada ovakvih sistema zasniva se na koncepciji toplotnog ure aja koji je uobi ajen u Termodinamici. Toplotna mašina je termodinami ki ure aj koji je smješten izme u dva rezervoara, i to jednog visoke temperature, a drugog niske. Kako toplota proti e od jednog do drugog rezervoara toplotna mašina dio toplotne energije pretvara u mehani ki rad, a to je princip rada kod parnih turbina. Jedini toplotni ciklus koji je pogodan za OTEC je Rankinov ciklus koriste i uz to niskopritisnu turbinu. Pritom sistemi mogu biti izvedeni kao otvoreni ili zatvoreni ciklusi. Mašine zatvorenog ciklusa koriste amonijak ili tetrafluoretan kao uobi ajene radne materije, dok kod otvorenog ciklusa koristi se toplota površine vode kao radna materija. Prema lokaciji, ovi ure aji za pretvaranje termalne energije okeana mogu biti sa pogonom na kopnu, sa pogonom na grebenima i sa pogonom na otvorenom moru. Prema vrsti ciklusa ovi sistemi mogu biti sa otvorenim ciklusom, sa zatvorenim ciklusom i hibridnim ciklusom. Hladna morska voda je sastavni dio svakog od ova tri tipa OTEC sistema, i da bi sistem uspješno radio, hladna morska voda se mora dopremati iz dubina na površinu. To se postiže upotrebom pumpi. Drugi na in je destilacijom morske vode blizu morskog dna, što 99

108 Hidroenergija smanjuje gustinu morske vode, tako da zbog razlike gustina morska voda e sa dna strujati kroz cijev na površinu, [129] SISTEM ZATVORENOG CIKLUSA Ovaj sistem koristi te nost sa niskim stepenom klju anja, i to naj eš e amonijak, tako da se na taj na in pokre e turbina koja proizvodi elektri nu energiju. Topla morska voda na površini se pumpa kroz razmjenjiva toplote i zahvaljuju i niskoj ta ki klju anja fluid (amonijak) Razmjenjivac toplote okeana Razmjenjivac toplote Slika Šema zatvorenog ciklusa OTEC pogona isparava, tako da nastala para pokre e turbogene ra tor. Hladnija morska voda iz dubina se zatim upum pava kroz drugi razmjenji va toplote i zahvaljuju i kondenzaciji opet iz pare fluid prelazi u te no sta nje ime kružni proces opet dolazi na svoj po tak, slika 2.103, slika 2.104, [130]. Ovakav mini OTEC sistem bio je usidren na 2,5 km od Havajske obale i proizvodio je dovoljno struje da osvijetli brodske sijalice, televiziju i ra unare. Slika Šema zatvorenog ciklusa OTEC pogona SISTEM OVORENOG CIKLUSA Na principu parne turbine funkcioniše sistem otvorenog ciklusa. Ovaj sistem koristi toplotu površine tropskih okeana i stvara elektri nu energiju na taj na in što se topla voda doprema u rezervoar sa niskim pritiskom i gdje zahvaljuju i 100

109 De an Ivanovi niskom pritisku voda proklju a i prelazi u paru. Dobijena para se širi i pokre e turbinu spojenu sa elektri nim generatorom. Zbog izloženosti hladnoj vodi ta Slika para se kondenzuje i opet se nazad vra a u te no stanje, slika godine OTEC pogon sa ovakvim otvorenim ciklusom snage od 50 kw postavljen je nedaleko od Havaja, i oborio je rekord od 40 kw japanskog sistema iz godine [131] SISTEM HIBRIDNOG CIKLUSA Šem a ovorenog ciklusa OTEC pogona Sistem hibridnog ciklusa izveden je na takav na in da se kombinuju dobre osobine zatvorenog i otvorenog ciklusa. Princip rada hibridnih sistema zasniva se na koriš enju tople površinske morske vode koja ulazi u vakuumsku komoru gdje se ona pretvara u paru, a to je zapravo i karakteristika otvorenog sistema. Poslije toga ova vodena para omogu ava radnoj te nosti (amonijak) niske ta ke klju anja, da ispari preko razmjenjiva a toplote, što je ustvari i karakteristika zatvorenih sistema. Na kraju para radne materije pokre e turbinu, a samim tim se i stvara elektri na energija LOKACIJE NA KOPNU, GREBENU I OTVORENOM MORU OTEC ima potencijal da proizvede gigavate elektri ne snage i u kombinaciji sa elektrolizom moglo bi se proizvesti dovoljno vodonika da u potpunosti zami jeni svu projektovanu svjetsku potrošnju fosilnih goriva. Me utim, i dalje ostaje neriješeni izazov smanjenja troškova izgradnje ovakvih ure aja, koji zahtijevaju duga ke usisne cijevi velikog pre nika koje se potapaju kilometar ili više u okeanske dubine, da bi dopremile hladnu vodu na površinu. Na slici lijevo prikazane su cijevi za ure aj OTEC, a na desnoj strani je dat OTEC plivaju i ure aj izgra en u Indiji godine. 101

110 Hidroenergija LOKACIJE OTEC URE AJA NA KOPNU Ure aji izgra eni na kopnu ili u blizini obale posjeduju tri glavne prednosti u odnosu na one objekte locirane u dubokoj vodi. Tako elektrane izgra ene na kopnu ili blizu obale ne zahtijevaju posebni ili neki sofisticirani vez, niti duga ke elektri ne kablove, kao ni ekstenzivnije održavanje same elektrane kakvo je potrebno u slu aju izgradnje na otvorenom okeanu. Elektrane ovog tipa mogu biti instalirane u zašti enim podru jima tako da budu relativno obezbije ene od jakih oluja. Preko skele mostova, može se iz okoline ovog postrojenja do korisnika na kopnu, prenijeti kako elektri na energija tako i desalinizirana voda kao i hladna i za ishranu neophodna morska voda. Lokacija ovim elektranama omogu ava da one budu uspješno povezane sa srodnim pomorskim industrijskim granama. U svakom slu aju, dužine usisnih cijevi su veoma kratke što znatno snižava ukupnu cijenu koštanja ovih ure aja. Ovakvi ure aji mogu poboljšati i unaprijediti raznovrsnost primorskih kultura. Naime, rezervoari ili lagune izgra eni u sklopu ovih ure aja omogu a vaju da se posmatra i kontroliše minijaturna morska sredina, tako da se morski proizvodi mogu isporu iti tržištu standardnim transportom. Dodatni trošak u konstrukciji i održavanju ovog ure aja je i injenica da se mješovito ispuštanje hladne i tople morske vode mora obaviti na nekoliko stotina metara od samog ure aja zbog postizanja odgovaraju e dubine na kojoj se to ispuštanje obavlja. Ovi sistemi ne mogu izbje i dodatne troškove koji bi se pojavili ukoliko bi njegova lokacija bila smještena u morskoj zoni predvi enoj za surfovanje. I zato ukoliko se grade blizu obale, neophodno je da se dubina vode kre e u rasponu od 10 do 30 m. Ovaj tip elektrane bi tada koristio kra e, a samim tim i jeftinije usisne cijevi kao i cijevi za pražnjenje, ime se osigurava njihova bezbjednost od jakih talasa. Elektrana mora biti zašti ena od morske okoline sa lukobranima i temeljima otpornim na eroziju, dok bi njen izlaz trebalo direktno povezati sa obalom [132] LOKACIJE OTEC URE AJA NA GREBENU Da bi se izbjegla turbulentna morska zona surfovanja, kao i da se bude što bliže hladnim vodnim resursima, OTEC elektrane mogu da se postave na kopnenom grebenu i to do dubine od 100 m. Složenost rada ovih elektrana u dubljoj vodi ini ih skupljim od onih izgra enih na kopnu. Problemi uklju uju uslove otvorenosti mora i znato teža isporuka struje. Jake okeanske struje i veliki talasi poskupljuju inženjering i konstrukciju ovog ure aja. U tom slu aju platforme zahtijevaju ekstenzivne pilinge radi održavanja stabilnosti. Za isporuku snage zahtijevaju se dugi podvodni kablovi sve do kopna. Iz ovih razloga OTEC ure aji locirani na grebenu su manje atraktivni. 102

111 De an Ivanovi LOKACIJE OTEC URE AJA NA OTVORENOM MORU Iako su ovi ure aji potencijalno optimalni za velike sisteme, kod njih se kao kod plutaju ih objekata pojavljuju nekoliko poteško a. Teško a sa vezivanjem elektrane postavljene da pluta po dubokim vodama komplikuje isporuku elektri ne energije. Kablovi priklju eni plutaju im platformama su osjetljiviji na ošte enja, posebno za vrijeme oluja, i ukoliko su postavljeni na dubinama ve im od 1000 m teže se održavaju i popravljaju. Isto tako treba voditi ra una da kablovi koji povezuju elektranu i morsko dno budu tako konstruisani da izbjegnu zapetljavanje. Jake oluje u uzburkano more može slomiti uslovno vertikalnu cijev za hladnu vodu, a isto tako može i prekinuti unos tople vode. Da bi se sprije ili ovi problemi cijevi mogu biti napravljene od fleksibilnog polietilena, dok kao alternativa cijevima za toplu vodu može se površinska voda kao toplija direktno uvu i u platformu. Povezivanje plutaju eg ure aja sa kablovima za napajanje elektri nom energijom zahtijeva da postrojenje ostaje relativno nepokretno. Sidrište je prihvatljiv metod, ali trenutna tehnologija sidrenja je ograni ena do dubine od 2000 m, jer ak i pri pli im dubinama troškovi sidrenja platforme se znatno pove avaju POVEZANE TEHNOLOGIJE Pored proizvodnje elektri ne energije OTEC ure aji uti u i na razvoj drugih tehnologija i ljudskih djelatnosti. Hladna morska voda oko 5 C koja se dobija ovom tehnologijom stvara mogu nost hla enja postrojenja koji su povezani sa pogonom ili koja su u blizini pogona. Hladna morska voda se dovodi u rashladnike vode koji zatim omogu avaju klimatizaciju zgrada i ku a. Procjenjuje se da cijev pre nika 0,30 m može da isporu i i do 40 lit/sekund vode. Voda na temperaturi od 6 C može da obebijedi više nego dovoljno rashla ivanje za veliku zgradu. Rade i 8000 sati godišnje umjesto elektri nih rashladnih ure aja, prema procjeni iz 1989.godine, ovom bi se tehnologijom moglo uštedjeti ameri kih dolara godišnje [133]. Kod ovih OTEC sistema za rashla ivanje zgrada, hladna morska voda se dovodi kroz izmjenjiva toplote koji hladi pija u vodu u zatvorenom kružnom sistemu, nakon ega se ova pija a voda pumpa prema zgradama i direktno hladi vazduh [134]. Isto tako OTEC tehnologija omogu ava poboljšava razvoj poljoprivrede koriš enjem hladnom tla. Naime, hladna morska voda, tokom prolaska kroz podvodne cijevi, hladi okolno tlo, tako da dolazi do temperaturske razlike izme u korijena biljaka na hladnom tlu i listova biljaka na toplom vazduhu što 103

112 Hidroenergija omogu ava uzgoj mnogih biljaka i kultura koje se ne mogu na i u suptropskim podru jima. Više od 100 razli itih usjeva može da se gaji koriste i ovaj na in. Najpoznatiji nusprodukt OTEC tehnologije je akvakultura, i to je jedan od najvažnijih na ina kako smanjiti finansijske i energetske troškove dovo enja velikih koli ina vode iz dubina okeana. Kako duboka okeanska voda sadrži visoke koncentracije neophodnih hranljivih materija koje su zbog biološke potrošnje iscrpljene na površini okeana, ova, može se re i, vješta ka uzlazna struja kroz cijev zamjenjuje prirodnu uzlaznu struju, bez koje nije mogu e održavanje i plodnost najve eg svjetskog morskog ekosistema i životom najguš eg podru ja na planeti. Poznato je da hladnomorske ribe, kao što su losos i jastog, žive u dubokoj morskoj vodi bogatoj hranjivim materijama. I zato, kombinuju i u razli itim odnosima hladnu duboku morsku vodu i toplu površinsku morsku vodu, OTEC tehnologija može stvoriti temperaturno pogodnu okolinu u kojoj bi se održavali optimalni uslovi za akvakulturu, tako da morski živi svijet koji nije toliko prisutan u tropskim vodama, kao što su losos, jastog, kamenica, pasrmka i druge vrste školjki, može sada biti uzgajan na ovakav na in i ovdje. Na taj na in se pove ava raznovrsnost svježih morskih plodova na lokalnom tržištu. Tako e, niski troškovi hla enja dobiveni hladnom morskom vodom mogu održati ili ak poboljšati kvalitet doma e ribe koja brzo propada u toplim tropskim krajevima. Pitka voda može biti dobijena iz morske vode pomo u sistema otvorenog, slika 2.105, ili hibridnog ciklusa koriste i površinski kondenzator, u kojem neravnim kontaktom hladna morska voda kondenzuje potrošenu paru. Kondenzat je u takvom kondenzatoru relativno ist i može biti prikupljen i poslat na mjesta koja su ograni ena zalihama prirodne vode za poljoprivredu ili doma instva. Tako bi postrojenje od 2 MW moglo proizvoditi oko 4300 kubnih metara pitke, odnosno desalinizirane vode svaki dan. Drugi sistem stvara kondenzat regulišu i dotok duboke hladne vode kroz površinski kondenzator koji je u korelaciji sa fluktuiraju im temperaturama ta ke rose. Upotrebljavaju i struju proizvedenu OTEC procesom, pomo u elektrolize može biti proizveden vodonik. U svrhu pove anja ukupne efikasnosti dodaju se elektrolitne mješavine i proizvedena para može biti upotrebljena kao relativno isti medij za elektrolizu. OTEC tehnologija je u mogu nosti da proizvodi velike koli ine vodonika potrebnog za snabdijevanje rastu eg svjetskog tržišta. OTEC postrojenja na ostrvima, platformama, teglja ima i brodovima imaju potencijala za proizvodnju vodonika u velikim koli inama kao i za snabdije va nje velikih luka pomo u tankera. Ipak su glavni izazovi troškovi proizvodnje, transporta i distribucije u odnosu na ostale izvore energije i goriva. Uzimaju i u obzir pove anje cijena nafte na svjetskom tržištu, pitanje je vremena kada e troškovi masovne proizvodnje i distribucije vodonika ovom OTEC tehnologi jom, biti stavljeni u drugi plan. 104

113 De an Ivanovi Nerazvijeni potencijal okeana je i mogu nost va enja minerala iz morske vode koji su sadržani u solima i drugim oblicima rastvara a. Razne ekonomske analize su pokazale da je neprofitabilno iskoriš avati okean u svrhu dobijanja tragova elemenata rastvorenih u rastvorima, upravo zbog velikog trošenja energije potrebne za crpljenje velike koli ine vode, a isto tako skupo je i odvajati minerale iz morske vode. Uopšteno govore i, ova OTEC metoda je ograni ena na minerale koji se mogu prona i u visokim koncentracijama i koji se zatim mogu lagano izdvojiti, kao što je na primjer magnezijum. Pošto je sa OTEC postrojenjima riješen problem dopremanja velikih koli ina vode, ostaje samo problem troškova ekstrakcije. Tako su Japanci nedavno zapo eli istraživa ti koncept kombinovanja ekstrakta urana rastvorenog u morskoj vodi sa tehnolo gijom elektrana na talase, a i mišljenja su da razvoj ostalih tehnologija, naro ito razvoj materijala, poboljšava izglede za ekstrakciju minerala POLITI KA PITANJA, TROŠKOVI I EKONOMI NOST Imaju i u vidu da su OTEC postrojenja uglavnom nepokretne površinske platforme, njihova ta na lokacija i pravni status bi mogao biti u nadležnosti sporazuma Konvencije Ujedinjenih nacija o pravu mora (UNCLOS). Taj sporazum daje zakonski autoritet primorskim zemljama u razli itim zonama od 3, 12 i 200 nauti kih milja, što bi vjerovatno moglo dovesti do odre enih sukoba i regulacijskih prepreka izgradnji OTEC postrojenja, kao i njihovom vlasništvu. Prema sporazumu, OTEC postrojenja bi se smatrali kao vješta ka ostrva koja ne bi imala nikakav zakonski autoritet. Da bi ova OTEC tehnologija bila održiva u pogledu globalne upotrebe, ona mora imati jednak porezni i subvencijski tretman kao i ostale tehnologije. Prora uni troškova ove tehnologije su i dalje nepouzdani zbog toga što OTEC pogoni još nijesu široko rasprostranjeni. Me utim, razne analize pokazuju da bi troškovi proizvodnje elektri ne energije bili 0.07 $/kwh dok subvencionirane vjetroelektrane imaju na primjer $/kwh potrošnje, [136] TERMODINAMIKA Prora uni pokazuju da OTEC tehnologija pri temperaturskoj razlici od 20 C daje isto energije koliko i hidroelektrana sa padom od 34 m pri istom protoku vode. Niske temperaturske razlike izme u površinske i duboke vode, podrazumijeva da dovedene koli ine vode moraju biti velike da bi se izvukla korisna koli ina toplote [137], [138]. Tako bi se od OTEC elektrane snage 100 MW o ekivalo da ispumpa sa velike dubine oko 45 miliona litara vode u minuti, odnosno tona/minuti, ili 0ko 750 m 3 /s, [137]. To zna i da za proizvodnju 49,8 MW elektri ne energije ovom tehnologijom, samo za pumpanje, odnosno dovo enje vode sa velikih dubina, potrebno je utrošiti oko 20 MW struje, a to se 105

114 Hidroenergija može smatrati parazitskim odlivom energije. Za OTEC sisteme koji koriste razmjenjiva e toplote, da bi se obradila ovako velika koli ina prispjele vode razmjenjiva i moraju biti ogromni u pore enju sa onim koji se upotrebljavaju u konvencionalnim termoelektranama [138], ine i ih jednim od najkriti nijih komponenti zbog njihovog uticaja na ukupnu efikasnost postrojenja. Takva OTEC elektrana snage od 100 MW bi, dakle, zahtijevala najmanje 200 razmjenjiva a toplote od kojih bi svaki bio duži od brodskog kontejnera dužine 7 metara, a to ih i ini jednim od najskupljih komponenti cijele elektrane [139] PROMJENA TEMPERATURE OKEANA SA DUBINOM Ukupna solarna energija zra enja ili insolacija, koju prime okeani i mora, a pokrivaju oko 70% površine Zemlje, pri indeksu jasno e 0,5 i prosje nom energijom zadržavanja od 15%, iznosi: 5, (MJ/godina). 0,7. 0,5. 0,15 = 2, (MJ/godina). Za odre ivanje koli ine solarne energije koju absorbuje di ( h) voda koristi se Lambert-ov zakon: = µ I, gdje je h dubina vode, I (h) dh intenzitet absorbovane solarne energije a µ je absorbcioni koeficijent. µ h Rešenjem ove diferencijalne jedna ine dobija se: I ( h) = I 0 e, gdje je I 0 intenzitet absorbovane solarne energije na površini mora. Absorbcioni koeficije nt µ se kre e od 0,05 m 1 za veoma jasnu svježu vodu do 0,5 m 1 za veoma slany vodu. Kako intenzitet absorbovane solarne energije I (h) po gore navedenoj formuli pada eksponencijalno sa dubinom vode h, uo ava se da je absorbovana toplota skoncentrisana u gornjim slojevima vode. Tako su u tropskim predjelima površinske temperature mora i okeana negdje oko 25 C, a na 1 km dubine izme u 5 10 C. To zna i da kod toplijih voda na površini, koje su ina e i lakše nego u dubinama, nema toplotnih konvektivnih struja. Zbog malog temperaturskog gradijenta po dubini, prenos toplote provo enjem odnosno kondukcijom je isuviše mali da bi se temperature mogle izjedna iti. Prema tome, okean je u isto vrijeme i beskona ni izvor toplote i beskona ni izvor hla enja. Ova temperaturska razlika izme u površine mora i njegove dubine se mijenja zavisno od geografske širene i godišnjeg doba, a najve a je u tropskim, subtropskim i ekvatorskim vodama. Zato su tropska podru ja i najpogodnija za postavljanje OTEC ure aja OTVORENI CLAUDE JEV CIKLUS Topla površinska voda temperature oko 27 C ulazi u ispariva u kojem je pritisak nešto ispod pritiska zasi enja što dovodi do isparenja. To stanje je na T- s dijagramu na slici prikazano sa ta kom 1. Ako se sa H ozna i entalpija te ne vode na ulaznoj temperaturi T 1, onda važi: f f H 1 = H. Voda se djelimi no 106

115 De an Ivanovi pretvara u paru u kojoj preovladava dvofazna ravnoteža. Ako se pretpostavi da se pritisak u ispariva u održava na pritisku zasi enja i da se temperatura nešto spustila ispod T 1, onda za to novo stanje, prikazano sa ta kom 2, pri temperaturi T 2 < T 1, važi slede a relacija: T s dijagram otvorenog ciklusa = H = H x, gje H 2 1 f + 2H fg je x 2 dio mase vode koja isparava, dok se maseni protok tople vode po jedinici turbinskog masenog protoka može ozna iti sa 1 / x 2. Nisak pritisak u ispariva u se Entropija s održava vakuum pumpom koja tako e otklanja Slika Šema ovorenog Claude-ovog ciklusa oslobo ene nekondezovane gasove iz ispariva a. Sada ispariva sadrži mješavinu vode i pare niskog kvaliteta. Para se zatim odvaja od vode kao zasi ena para. Preostala voda je zasi ena i ispušta se u okean u otvorenom ciklusu. Para pod ovako niskim pritiskom je u isto vrijeme i radni fluid visoke specifi ne zapremine, koja ekspandira u specijalnoj turbini niskog pritiska, ime na dijagramu prelazi u stanje prikazano sa ta kom 3, gdje je tempratura T 3 = T2, dok je entalpija H 3 ista kao i entalpija H f koja odgovara temperaturi T 2, što zna i da je: H 3 = H f. Za idealnu izentropsku, tj. povratnu adijabatsku turbinu može se napisati: s 5, s = s3 = s f + x5, ss fg, i ova jedna ina odgovara temperaturi T 5 na izlazu iz turbine, dok je x 5, s maseni udio pare u stanju 5. Entalpija pri temperaturi T 5 je: H 5, s = H f + x5, sh fg, i ona je nešto niža. Prema tome, povratni adijabatski turbinski rad iznosi H, dok je stvarni turbinski rad: W H Temperatura T H 3 5, s = η H H ), gdje je η politropski koeficijent efikasnosti, tako da je: 5 = H 3 ( 3 5, s stvarni rad. Kako su temperatura i pritisak u kondezatoru niski, i kako se kroz izlaz turbine ispušta izduvni fluid nazad u okea, to se kondezator preko direktnog kontakta koristi za miješanje ispusta sa hladnom vodom, što dovodi do toga da je voda skoro zasi ena, i ta se voda sada prazni nazad u okean. Za temperaturu T 5 važi da je H 6 = H f, slika Temperatura T 7 odgovara stanju 7 kada se izduvni fluid iz turbine miješa sa hladnom morskom vodom i kada je sadržaj pare zanemarljiv, tako da se pri temperaturi T7 može 107

116 Hidroenergija staviti: H 7 H f. Sve navedene temperaturske razlike izme u stanja predstavljaju spoljnju ireverzibilnost, odnosno nepovratnost, koja smanjuje ukupnu razliku temperature. Protok hladne vode po jedinici turbinskog masenog H 5 H 6 protka fluida iznosi: m C =, dok je turbinski maseni protok: H H M T * T W =, gje je W T tople vode može staviti da je: M = M m. c T c 6 7 * WT zahtijevani turbinski rad. Tako e se za maseni protok M = M m, a za maseni protok hladne vode: w T w ZATVORENI ANDERSON-OV CIKLUS U ovom ciklusu, kojeg je po etkom godine razvio J. H. Anderson, sa Q H se ozna ava toplota transformisana u ispariva u sa tople morske vode na radni fluid. Radni fluid koji je blizu ta ke rose, izlazi iz ispariva a. Gas visokog pritiska i visoke temperature ekspandira u turbini predaju i turbini rad W T. Radni fluid je malo pregrijan na izlazu iz turbine, i prema reverzibilnoj adijabatskoj ekspanziji turbina obi no ima efikasnost oko 90%. Nakon izlaza iz turbine, radni fluid ulazi u kondenzator gdje mu se hladnom morskom vodom dovedenom iz dubina oduzima toplota Q, i prelazi u te nost. Te ni kondezat se potom sabija na najve i pritisak u ciklusu zahtijevaju i pumpni rad W C. Andersonov zatvoreni ciklus je dakle Rankinov ciklus parnom ciklusu u konvencionalnim termoelektranama, s tom razlikom što se kod Andersonovog ciklusa radni fluid nikada ne pregrijava više od nekoliko stepeni Celzijusa. Zahvalju i viskoznim efektima pritisak radnog fluida opada i u ispariva u i u kondezatoru. Ovaj pad pritiska, koji zavisi od primijenjenog tipa razmjenji va a toplote, mora se uzeti u obzir u kona nom prora unu, me utim, zbog pojednostavljenja analize ovdje se zanemaruje. Prema tome sra unati parazits ki pumpni rad WC e biti manji nego kada se uzme u obzir pad pritiska usled razmjenjiva a toplote. Ina e, u OTEC elektranama se glavni dodatni parazitski energetski zahtjevi odnose na rad pumpe za dovod hladne vode W kao i na W HT rad pumpe za transport tople vode. Ozna avaju i sve druge parazitske energetske zahtjeve sa W A, neto rad OTEC elektrana W NP iznosi: W = W + W + W + W + W. NP T C CT Termodinami ki ciklus radnog fluida može se analizirati bez detaljnog posmatranja ovih parazitskih energetskih zahtjeva. Tako se na osnovu prvog zakona termodinamike, za energetski bilans radnog fluida sistema može C HT A CT 108

117 De an Ivanovi napisati: W N = QH + QC, gdje je W N = WT + WC neto rad termodinami kog ciklusa. Za idealizovan slu aj u kojem nema pada pritiska radnog fluida u razmjenjiva ima toplote, su: Q H = TH ds i Q C = TC ds, tako da neto rad termodinami kog ciklusa glasi: = H W N TH ds + H C T ds C UTICAJ NA ŽIVOTNU SREDINU Ugljendioksid rastvoren u dubokoj hladnoj vodi koja je pod visokim pritiskom dospijeva, preko OTEC elektrana, na površinu i tu se osloba a kako se voda zagrijava. Miješanje duboke hladne okeanske vode sa pli om toplom vodom, omogu ava da hranljive materije budu u punoj mjeri dostupne i dovoljne za život bi a u plitkoj vodi. Ovo može da bude prednost za akvakulturu komercijalno zna ajnih vrsta, ali u isto vrijeme sve ovo može i dovesti do narušavanja ravnoteže ekološkog sistema oko OTEC elektrane. C TEHNI KI PROBLEMI MIKROBIOLOŠKE NASLAGE NA OKVAŠENIM POVRŠINAMA Pošto sirova morska voda mora pro i kroz razmjenjiva toplote, mora se voditi ra una da se održi dobra toplotna provodljivost. Na djelovima OTEC elektrane, slika 2.107, koji su u kontaktu sa vodom pojavljuju se naslage mikroorganizama, biljaka, algi itd, slika 2.108, tako da na primjer slojevi Slika OTEC elektrana Slika Naslage na okvašenim površinama naslaga od 25 do 50 mikrometara ( 1 mikrometar µ m = 10 6 m) mogu da pogoršaju performanse toplotnog razmjenjiva a i do 50% [140], [141]. 109