VODNI VIRI

1. VODNI VIRI Pripravil: Andrej Grut Mentor: prof. dr. Janez Stepišnik

2. Uvod • Nekoč so energijo vode uporabljali v mlinih za mletje žita • Danes energijo vode uporabljamo za proizvodnjo elektrike – hidroelektrarne • Vse več se izkorišča tudi energija oceanov (valovanja, plimovanja in notranje energije morja)

3. Hidrološki cikel • Zaradi sončnega sevanja, ki dospe na površino Zemlje, voda neprestano kroži. • Gibanje vode med oceani, ozračjem in kopnim z izhlapevanjem in padavinami. • Približno 23% sončnega sevanja se porabi za delovanje hidrološkega cikla

4. Energija potokov in rek Voda je najpomembnejši obnovljivi vir energije in kar 21,6% vse električne energije na svetu je proizvedeno z izkoriščanjem energije vode oziroma hidroenergije. V Sloveniji proizvedejo vodne elektrarne približno tretjino električne energije (drugo dobimo iz jedrskih in fosilnih elektrarn). Tehnika gradnje vodnih elektrarn je dobro znana, ni neznanega in velikega tveganja, voda pri tem ne spremeni svojih fizikalnik lastnosti:gostota, temperatura, notranja energija itd.

5. Energija potokov in rek Vodne elektrarne imajo zelo dolgo trajnostno dobo, zelo dober izkoristek, graditi je mogoče velike enote, njihova velikost je omejena samo z zemljepisno lego in ugotovljenim vodnim pretokom. Postavitev vodne elektrarne zahteva izredno velika investicijska sredstva, toda (v nasprotju s termoelektrarnami) zelo majhna obratovalna.

6. Delovanje hidroelektrarne

7. Pretok vode • Za postavitev vodne elektrarne je bistven pretok reke na mestu, kjer je načrtovana. • Podnebje se na daljšo dobo rahlo spreminja (sušno, normalno, deževno leto). • Za določitev imenskega pretoka se zato jemlje povprečje zadnjih 10 do 30 let. • Pretok reke je odvisen od topografskih, geoloških in klimatskih razmer opazovanega področja (lahko se močno spreminja). • Od vseh padavin (P) priteče na površino zemlje kot tekoča voda (V) le del. Del padavin porabijo rastline ali pa takoj izhlapi (R), del padavin ponikne in ostane pod površino kot talna voda (T). Del talne vode priteče na plan s časovnim zamikom kot izvir (I). P = V + R + T – I

8. Pretok vode Primernost rek za postavitev HE –majhna sprememba pretoka med letom in velika zanesljivost predvidevanja pretoka v posameznih dobah Drava spada med visokogorske reke, ima največji pretok pozno spomladi in v začetku poletja, najmanjšega pozimi Sava je srednjegorska reka, ki ima dva maksimuma: spomladi in jeseni Soča pa je primorska reka, saj ima največji pretok v dobi zimskega deževja.

9. Vrste hidroelektrarn Vodne elektrarne delimo na: • pretočne, • zajezne (ali akumulacijske) in • črpalno-zajezne elektrarne. Akumulacijska elektrarna Pretočna elektrarna

10. Pretočne elektrarne • nimajo možnosti, zbiranja vode za jezom, temveč sproti izrabijo tisto količino vode, ki priteka po strugi reke. • Voda teče brez zadrževanja skozi turbine, morebitni presežek pa neizkoriščen čez jez. • Število in velikost turbin sta prilagojena le nekemu srednjemu pretoku. • primerne za osnovno preskrbo omrežja z električno energijo • čim bolj enakomeren pretok čez vso leto • značilni veliki pretoki in majhni padci Dnevni diagram proizvodnje in zmogljivosti pretočne elektrarne. razpoložljiva dnevna energija izrabljena dnevna energija neizrabljena dnevna energija

11. Zajezne (akumulacijske) elektrarne • Voda teče v zbiralnik vode (akumulacijsko jezero) in se nato vodi na turbine glede na potrebe električnega omrežja. • Zbiralnike v glavnem tvorijo umetna jezera, ki nastanejo z zajezitvijo. • Akumulacija se polni takrat, ko je pritok reke Qr večji od odtoka skozi Turbine Qi, in sicer s količino ΔQ' = Qr – Qi, pri tem je Qr > Qi. • Ko pa je pretok reke manjši od Qi, se akumulacija prazni zaradi odtoka količine ΔQ' = Qr – Qi, pri tem je Qr < Qi. • značilni manjši pretoki in večji padci Časovni potek rečnega pretoka Qr v profilu zajezitve za primer popolnega izravnavanja

12. HE delimo glede na akumulacijo na HE z: dnevno akumulacijo vode (manjši jezovi), na primer vodne elektrarne na Dravi, tedensko akumulacijo vode (večji jezovi in pregrade), letno akumulacijo vode (dolinske pregrade) sezonsko akumulacijo vode in na elektrarne s pretočno akumulacijo vode. Elektrarna z dnevno akumulacijo: polnjenja bazena (+) v času majhne nočne obremenitve praznjenja bazena (-) v času povečanja obremenitve Celotni dnevni dotok se v prikazanem primeru v celoti izkoristi in s tem dosežemo možnost povečanja instalirane moči na Pd = 1.3 do 1.6 Pp, kjer je Pp instalirana moč pretočne elektrarne. Zajezne (akumulacijske) elektrarne Qsr - srednji dnevni pretok a - pretočna elektrarna b - elektrarne z dnevno akumulacijo Akumulacija energije pri polnjenju bazena Oddaja akumulirane energije pri praznjenju bazena Dnevni dotok in njegova izraba v elektrarni

13. Elektrarna s tedensko akumulacijo: veliko večji akumulacijski bazen znatno večja množina izkoristljive vode akumulacija vode od petka zvečer do ponedeljka zjutraj, takrat elektrarna ne obratuje Instalirani pretok se poveča in doseže vrednosti v mejah 1.5 do 2.5 Qsr.let. v še večji meri pokrivajo, poleg osnovne obremenitve, potrebe v času konic. Elektrarna z letno akumulacijo: izrablja celoten dotok reke, zato zahteva zelo velik akumulacijski prostor (izgradnjo visokih dolinskih pregrad) akumulacija shranjuje 60-70% letnega pritoka kritje primankljaja v času malih voda, pa tudi za pokrivanje dnevnih konic Ker pokriva sezonske primanjkljaje, je njen instalirani pretok zelo visok (2 do 3.5 Qsr.let.). Zajezne (akumulacijske) elektrarne Prikaz letne bilance porabe vode pri elektrarni z letno akumulacijo:

14. Elektrarna s sezonsko akumulacijo: velik akumulacijski prostor, akumulirano energijo iz ene sezone (mokre) prenese v drugo (n.pr. pretvori letno energijo v zimsko) visoka instalirano moč,ki ji omogoča porabiti akumulirano vodo in takratni naravni dotok reke v 3 do največ 6 suhih mesecih. Elektrarne s pretočno akumulacijo: sklenjena veriga pretočnih HE, zgornja in spodnja HE v verigi morata imeti akumulacijo (vsaj dnevno) najnižja akumulacija izenačuje pretoke ali da v času, ko veriga stoji pošilja v strugo biološki, dogovorjen minimum pokrivanje dnevnih koničnih obremenitev, manjvredno nočno energijo prenesejo v čas, ko energijo in moč najbolj potrebujemo Zajezne (akumulacijske) elektrarne Primer elektrarn s pretočno akumulacijo Prikaz dnevne akumulacije pri popolni izravnavi v zadnji elektrarni

15. Črpalno-zajezne (akumulacijske) elektrarne • Pomembne v energetski sistemih z termoelktrarnami, nuklearnimi elektrarnami in pretočnimi elektrarnami, zaradi velikih presežkov nočne energije. • voda se zbira v dveh zbiralnikih, ki sta postavljena na različnih geodetskih višinah. • ob večji proizvodnji električne energije, kot jo potrebujemo, črpamo vodo iz spodnjega bazena v zgornji bazen, ki leži mnogo višje Transformacija nočne, odvečne električne energije v dnevno energijo s pomočjo hidravlične akumulacije. Primer kombinacije elektrarne s tedensko akumulacijo in elektrarne s črpalno akumulacijo v Mostah

16. Črpalno-zajezne (akumulacijske) elektrarne Predonsti črpalno-zajeznih elektrarn: • pridobimo oplemeniteno energijo (črpanje v višje ležeče hranilnike vode z nočnimi presežki električne energije in proizvodnja drage vršne električne energije podnevi), • energijo v rezervi za primer nenavadne potrebe (okvara ene od elektrarn, ki je v obratovanju, …) • takojšen vklop postroja, • možnosti hitrih in velikih sprememb moči in • velike količine shranjene energije

17. Hidroelektrarne Delitev vodnih elektrarn glede na velikost: • velike (nekaj 100 MW), • srednje (nekaj 10 MW), • male (manj kot 10 MW), Vse imajo enak princip delovanja. Male hidroelektrarne so manjši objekti postavljeni na manjših vodotokih. Lahko so: • povezane in oddajajo energijo v javno omrežje ali  • samostojne in napajajo omejeno število porabnikov. Majhne hidroelektrarne delimo glede na moč v tri skupine: • mikro elektrarne, ki imajo moč manj kot 100 kW, • mini elektrarne, ki imajo moč od 100 kW do 1 MW in • male elektrarne, katerih moč znaša od 1 MW do 10 MW.

18. Turbinski stroji • Sestavljen iz lopatičnega kolesa z pritrjenimi zakrivljenimi lopaticami na obodu • Vrtenje v toku delovne snovi (plin ali tekočina) • To kolo imenujemo gonilnik • Glede na vrsto delovne snovi ločimo: plinske turbine, vetrnice, vodne turbine,… • Starejše izvedbe : vodno kolo, vetrnica • Novejši turbostroji so sestavljeni iz dveh delov

19. Osnove delovanja turbinskih strojev: • Poleg gonilnika, ima skoraj vsak turbinski stroj še vodilnik-to so mirujoče lopatice, pritrjene na okrov stroja, ki skrbijo, da ima delovna snov predvideno hitrost in smer toka. • bistvena sprememba hitrosti delovne snovi v gonilniku • Gonilnik in vodilnik skupaj tvorita turbinsko stopnjo. • Delovna snov lahko doteka v aksialni, radialni, diagonalni, tangencialni (obodni) in prečni smeri. • Smer toka delovne snovi skozi gonilnik turbinskega stroja; A – radialno, B – diagonalno, C – aksialno, Č – tangencialno, D – prečno Smer toka delovne snovi skozi gonilnik turbinskega stroja; A – radialno, B – diagonalno, C – aksialno, Č – tangencialno, D – prečno

20. v turbinski stroj vstopa energija v obliki notranje in tlačne energije ter kinetične energije delovne snovi. V vodilniku se dogaja prva preobrazba: zaradi zmanjšanja pretočnega prereza (šoba) se na račun zmanjšanja tlačne in notranje energije delno spremeni v kinetično energijo. Druga preobrazba se dogaja v gonilniku: delovna snov zaradi velike hitrosti močno pritiska na zakrivljene lopatice in ustvarja silo na obodu. Kinetična energija se spremeni v delo, ki se kot vrtilni moment prenaša na gred stroja Delitev turbinskih strojev: enakotlačni nadtlačni tlak delovne snovi enak na vstopu in izstopu iz gonilnika zmanjševanje tlaka v gonilniku na račun povečevanja kinetične energije. Osnove delovanja turbinskih strojev:

21. turbinski stroji, pri katerih se potencialna oz. kinetična energija vode spreminja v mehansko delo pretvarjajo v koristno energijo iz obnovljivih energijskih virov več vrst vodnih turbin, vsaka je primerna samo v določenem območju, ki ga opredeljuje specifična vrtilna frekvenca, ki je funkcija pretoka in vodnega padca za velike padce so primerne Peltonove turbine, za srednje in manjše pa Francisove in Kaplanove turbine glede na prenos energije vodotoka na turbino ločimo reakcijske in impulzne turbine Reakcijske turbine: gonilnik v celoti napolnjen z vodo glede na smer toka vode v gonilniku razlikujemo radialne reakcijske turbine Francisova turbina), pri katerih je tok vode pravokoten na os vrtenja gonilnika in na aksialne reakcijske turbine (Kaplanova turbina), v katerih je tok vzporeden z osjo vrtenja gonilnika Impulzna turbina: curek vode z visoko hitrostjo izstopa iz šobe in udarja v posamezno lopatico Peltonove in Mitchell – Bankijeve turbine Vodne turbine

22. Turbina Kaplan Turbina Pelton • primerna za majhne specifične vrtilne hitrosti, majhne pretoke in velike padce. KAPLANOVA TURBINA – majhni padci, veliki pretoki PELTONOVA TURBINA – majhni pretoki, veliki padci

23. Turbina Francis FRANCISOVA TURBINA – srednje veliki padci, srednje močni pretoki Gonilniki Francisove turbine

24. Moč in izkoristek HE Sila curka: Curek vode brizga v vodoravni smeri proti navpični oviri in spolzi v posodo na oviri. Na oviri se delu vode zaradi sunka sile ovire F0 spremeni gibalna količina F0dt= vdm-v'dm ;F=-F0 F= (v‘-v) Φm; Φm=ρSv' Za silo curka dobimo: F=v'dm/dt= v' Φm= ρSv'2 Curek, ki pada pravokotno na oviro in se od nje z enako veliko hitrostjo odbije, deluje na oviro s silo: F=2 v' Φm=2ρSv'2

25. Peltonova turbina: Curek vode brizga s hitrostjo v iz šobe s presekom S in zadeva lopatice Upoštevamo, da se gibljejo lopatice s hitrostjo v' =ωrod šobe proč Hitrost tekočine glede na lopatico je v-v‘, oblika lopatice je takšna, da se curek odbije z enako veliko hitrostjo Sprememba hitrosti curka je 2(v-v') Upoštevamo še povprečni masni tok, ki zadeva lopatice in je enak Φm=ρSv Povprečna sila curka je tedaj F=2(v-v') Φm=2 ρSv(v-v') Povprečna moč je enaka produktu te sile in hitrosti njenega prijemališča, to je hitrost lopatice v': P=Fv'=2 ρSv(v-v')v' Največjo povprečno moč izračunamo z zahtevo dP/dv'=0 Iz te zahteve sledi Največja moč je tedaj enaka : Pmax=0,5 ρSv3=0,5 Φmv2 Moč in izkoristek HE

26. Izkoristek HE: Upoštevamo, da se vsa potencialna energija vode spremeni v kinetično Izkoristek je enak Za hidroelekrarno Fala je: ΦV= 550 m3/s Pdej=58MW ρ=1000kg/m3 g=9,81m/s2 Δh=14,6m ηe=? Torej, izkoristek hidroelektrarne Fala je 74%! Moč in izkoristek HE

27. Moč in izkoristek HE • Dejanski izkoristek vodne elektrarne je zmnožek več izkoristkov: • pri tem je ηC izkoristek cevovoda, ηi notranji izkoristek turbinskega stroja, ηm mehanski izkoristek in ηG izkoristek generatorja.

28. Prednosti izkoriščanja hidroenergije: ne onesnažuje okolja (HE emitirajo majhno količino toplogrednega CO2 in ostalih onesnaževalcev zraka) , dolga življenjska doba in relativno nizki obratovalni stroški. nadzorovanje pretoka reke v času visokih voda (zajezne HE) možnost namakanja v sušni dobi v bližini akumulacijskega jezera Slabosti izkoriščanja hidroenergije: izgradnja hidrocentral predstavlja velik poseg v okolje, nihanje proizvodnje glede na razpoložljivost vode po različnih mesecih leta, visoka investicijska vrednost. Vodne elektrarne in okolje • vodne elektrarne še desetletja ne bodo izgubile svoje pomembnosti. • idealno gorivo za proizvodnjo elektrike, saj je v nasprotju z neobnovljivimi viri energije, ki se uporabljajo za proizvodnjo elektrike, skoraj zastonj, ni stranskih produktov in ni onesnaževanja vode ter zraka

29. ENERGIJA MORJA Energijo morja je mogoče deliti na: • notranjo energijo morja, • kinetično energijo morskih tokov in • potencialno energijo valov in plimovanja Izkoriščanje energije morja je povezano z velikimi investicijskimi stroški in je le v redkih primerih gospodarsko upravičeno.

30. Notranja energija morja • Celotna količina sončne energije, shranjene v oceanih, znaša okoli 2,23*1020kWh ali kar 146 krat več, kot je celotna energija, ki jo zemlja od Sonca sprejme v enem letu. • Večina svetlobe se absorbira v zgornjih plasteh • V celotnem ekvatorialnem pasu je na razpolago med površino morja in globino 1000m povprečna letna temperaturna razlika od 20K do 24K. Temperaturne razlike

31. Notranja energija morja • Toplotni stroj, ponavljanje Carnotove krožne spremembe • Izkoristek • delovna snov: amoniak, freon, propan in ostala sredstva z nizkim vreliščem. • Izkoristek toplotne energije morja je 3%. Princip delovanja OTEC sistema

32. Energija morskih valov Energija valov v kW/m • Valove povzroča veter (posredno energija sonca). Njihova udarna moč lahko dosega vrednost do nekaj sto ton na kvadratni meter. • S seboj nosijo potencialno in kinetično energijo. Najugodnejši pogoji na zemljepisnih širinah od 40-60 (najmočnejši vetrovi)

33. Energija morskih valov • OSNOVNI PRINCIP • Na obali so na poševni betonski konstrukciji nameščene posebne zapore, ki odvajajo vodo skozi dotočne kanale prek zbiralnika na turbino in spet nazaj v morje. Zapore so višinsko porazdeljene, kot je lepo vidno na spodnji sliki, tako da zajemajo visoke in nizke valove. Vse naprave izkoriščajo eno ali več lastnosti valov: • nihajoče navpično gibanje valov, • krožno gibanje vodnih delčkov znotraj vala, • spreminjanje razdalje med vodno gladino in morskim dnom in s tem povezane spremembe tlaka, • butanje valov v obalo. Osnovni princip izkoriščanja energije valovpri obali

34. Energija morskih valov 2. PLAVAJOČE RAČKE Valovanje povzroča nihanje in rotacijo plovcev, ki so pritrjeni na plavajočo betonsko platformo. Rotacijsko gibanje se uporablja za pogon črpalke, ki tlači olje na tlak 150-200 barov. Ta energija se uporablja za pogon hidravličnega motorja, ki poganja generator Princip delovanja plavajočih račk za izkoriščanje energije morja

35. Energija morskih valov 3. OWC NAPRAVE (oscillating water column) • izkorišča nihanje vodnega stolpca kot posledico valovanja • Zgrajeni so ob obali na skalnatih območjih, ker morajo biti zelo stabilni. Prikaz izvedbe OWC naprave, za instalacijo pridejo v poštev samo skalnate obale • Ko pride val, se nivo vode v betonskem zalivu (komori) dvigne, zrak potuje skozi turbino, nato se turbina obrne in deluje tudi, ko val odteka, saj gre zrak iz komore in zopet poganja turbino. Princip delovanja OWC

36. Energija morskih valov 4. TAPCHAN • Sistem je zgrajen iz bazena, ki je nekaj metrov dvignjen od gladine in ima v bazen napeljan konusni kanal. • Pretvarjanje kinetične energije v potencialno • Vodna turbina (hidroelektrarna) • Enostaven koncept Zgradba TAPCHAN

37. Energija plimovanja • Gravitacijski sili Lune in Sonca • Vpliv Lune približno 2 krat večji od Sončevega • 12,5 urni cikel • Razlika med plimo in oseko na odprtem morju nekaj manj kot 1m • zaradi resonančnih pojavov se ta razlika na nekaterih morskih obalah (vzhodna obala Kanade) poveča do 20m Vpliv lune in Sonca na plimovanje • Gospodarno je mogoče izkoriščati bibavico, če je na razpolago primeren zaliv, ki ga je mogoče pregraditi, in če je razlika med plimo in oseko od 3m do 5m. Takih zalivov je na zemlji okrog 30.

38. Energija plimovanja • 3. faza – obratujejo turbine, voda • odteka skoznje v morje, dokler ni • dosežen najmanjši padec, ob katerem • še lahko turbina deluje • 4. faza – zapornice ostanejo zaprte, dokler se gladina v bazenu ne izenači z gladino morja, nakar sledi polnjenje. Obratovanje poteka v štirih fazah: • 1. faza – bazen se polni v času plime • 2. faza – najvišji možni nivo v bazenu ostaja ob zaprtih zapornicah. Primer enosmerne izvedbe

39. Energija morskih tokov • Morski tokovi so posledica vrtenja Zemlje, temperaturnih razlik in različnih gostot morja. • Celotni energijski potencial je velik, vendar je gostota energije majhna. Za izkoriščanje je trenutno raziskanih 12 primernih tokov. • Z današnjo tehnologijo bi lahko iz njih pridobili 1.75PWh. • Nizke hitrosti tokov: 4-5 vozlov • Premer veternic 15-20 metrov • Gradnja prizadene obsežno območje Idejna zasnova za izkoriščanje morskih tokov na severni obali Daveon-a.

40. Viri: • Energetski stoji in naprave; Matija Tuma, Mihael Sekavčnik; Fakulteta za strojništvo, 2005 • Energetski sistemi; Matija Tuma, Mihael Sekavčnik; Fakulteta za strojništvo, 2004 • Energetski pretvorniki 1; Bogoljub Orel; Fakulteta za elektrotehniko in računalništvo, 1992 • www2.arnes.si/~rmurko2/MORJE.htm • http://www.he-moste.sel.si/