MORSKE TEHNOLOGIJE

1. MORSKE TEHNOLOGIJE Energija iz mora Predavanje 6 Doc.dr.sc. Gorana Jelić Mrčelić

2. Obnovljivi izvori Obnovljivi izvori su oni koji se ne troše našim korištenjem - koristimo samo razliku u potencijalu: • hidroenergija • geotermalna energija • biomasa i otpad • sunčeva energija • energija vjetra • energija valova, struja, morskih mijena... • toplinska energija akumulirana u moru. Razlozi traganja za novim, ekološkim i obnovljivim izvorima energije: • ograničenost fosilnih resursa • njihova geopolitička koncentriranost • smanjenje zagađenja (emisije plinova izgaranja uzrokuju: 1. zdravstvene probleme, 2. kisele kiše i 3. globalno zatopljenje)

3. Obnovljivi izvori neće značajnije sudjelovati u proizvodnji električne energije zbog cijene ili zbog ograničenih ekonomski iskoristivih resursa. Samo hidroenergija ima značajan udio u proizvodnji električne energije, a posljednjih godina energija vjetra se približava komercijalizaciji.

4. The Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation (TREC) – Transmediteranska suradnja o obnovljivim izvorima energije: – osnovana u rujnu 2003 – razvija moguće koncepte za energiju, vode i klimatsku sigurnost u Europi, Bliskom Istoku i Sjevernoj Africi – približno 50 članica – u stalnoj suradnji s nacionalnim vladama i privatnim investitorima

5. Posljedice upotrebe fosilnih goriva: Kisele kiše Geografska raspodjela utjecaja sulfatnih aerosola na sunčevo zračenje, W/m2

6. Posljedice upotrebe fosilnih goriva: Globalno zatopljenje zbog pojačanog efekta staklenika (The Greenhouse effect)  Dio Sunčeva zračenja koje prođe kroz atmosferu upija Zemlja, a dio se reflektira od Zemljine površine - dio od Zemlje reflektiranog zračenja apsorbiraju staklenički plinovi. Staklenički plinovi u atmosferi mogu biti prirodni ili antropogeni koji nastaju kao posljedica ljudske djelatnosti. Najvažniji staklenički plin je vodena para, a antropogeni staklenički plinovi: CO2, N2O, CH4, HFC, PFC i SF6.

7. Efekt staklenika je značajan mehanizam održanja temperature atmosfere - bez tih plinova temperatura bi bila 30ºC niža - nemoguć život. No preveliko povećanje antropogenih stakleničkih plinova uvjetuje da se Zemlja više zagrijava nego do sada. Promjena koncentracije CO2 od 1860 do 2000 Ovisnost temperature na Zemlji o koncentraciji CO2

8. Posljedice globalnog zatopljenja • topljenje polarnih kapa i ledenjaka • povišenje nivoa mora • proširenje i nastanak novih pustinja • utjecaj na poljoprivredu – (na sjevernoj hemisferi povoljan pretvarajući Sibir i Kanadu u intenzivna poljoprivredna područja)

9. Konvencije i protokoli kojima se nastoje smanjiti emisije u energetici: Klimatske promjene. Konvencija UN o klimatskim promjenama (The United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC ili FCCC), donešana je na Konferenciji UN o okolišu i razvoju (UNCED), Rio de Janeiro, 1992, poznatoj i kao Earth Summit s ciljem reduciranja emisije stakleničkih plinova - stupila na snagu 1994. Zeleno: UNFCCC članice Narančasto: UNFCCC promatrači Sivo: nisu članice UNFCCC

10. Kyoto protokol, 1997 kaodopuna Konvenciji UNFCCC, postao je poznatiji od nje same. Kyoto Protokol je otvoren za potpisivanje 1997, a stupio na snagu 16. veljače 2005. Potpisnici Protokola su se obavezale pratiti emisije šest plinova Zemlje potpisnice Aneksa B Protokola su se obavezale smanjiti emisije u odnosu na baznu godinu (1990) tijekom perioda 2008-12. One zemlje koje to ne uspiju mogu nadokupiti dozvole za emitiranje više emisija od onih zemalja koje su smanjile više nego što su trebale (Emission Trading), ili mogu uložiti u projekte smanjenja emisija u drugim zemljama Aneksa B (Joint Implementation), ili zemljama koji nisu dio Aneksa (Clean Development Mechanism).

11. Zemlje u tranziciji trebaju 6 puta više energije za isti proizvod, te za isti proizvod emitiraju 7 puta više CO2 u atmosferu. Hrvatska je nešto bolja od prosjeka zemalja u tranziciji, ali je lošija od razvijenih zemalja.

12. Očekivani trend emisije CO2 u Hrvatskoj i preuzete obaveze po Kyoto protokolu S-421: bez mjera S-422:uz mjere S-423:uz posebne mjere

13. Ozonski omotač Smanjenje ozonskog omotača. Bečka konvencija iz 1985 sveobuhvatni međunarodni sporazum o očuvanju okoliša koji je za cilj postavio očuvanje ozonskog omotača, no nikakve zakonske obveze i redukcije mjere nisu bile propisane kao obvezne. Smanjenje i ograničenje emisije tvari koje utječu na nestajanje ozona postignuto je Protokolom u Montrealu 1987 koji jestupio na snagu 1989 (TheMontreal Protocol on Substances That Deplete the Ozone Layer).

14. Energija iz mora Energija gibanja mora, temperaturne razlike ili razlike gustoće slojeva mora mogu se iskoristiti. Energija gibanja - voda je gušća od zraka i neznatno gibanje može dati znatan iznos energije.: • Vjetra (offshore) • Valova • Plime i oseke (Tidal power, Tidal stream power) • Morskih struja Temperaturne razlike slojeva mora - termalna energija mora (Ocean Thermal Energy Conversion OTEC) Razlike gustoće - Plava energija (Blue energy)

15. Energija vjetra(Wind power) Energija vjetra pomoću turbina (eng. wind turbines) pretvara se u električnu energiju – vjetar okreće propelere turbina i preko magneta u generatorima inducira se struja. Ovaj oblik energije traži velika početna ulaganja, ali su niski troškovi održavanja i troškovi pogona, te “čista” proizvodnja – kao za većinu alternativnih izvora energije. Danas čini svega 1% ukupne proizvodnje energije u Svijetu (23% u Danskoj), ali je primjena sve veća : od 1999 do 2005 – učetverostručena proizvodnja, a cijena ovako proizvedene struje pada – 2005 iznosi 1/5 cijene kasnih 90-ih (npr. u SAD je niža od one proizvedene u termoelektranama).

16. Za: • nema zagađenja • obnovljivi izvor energije – ne može se potrošiti • mogućnost proizvodnje energije u udaljenim područjima – nema potrebe za transportom • mali troškovi zemljišta – samo nekoliko metara zauzima baza – još jeftinije offshore • lako održavanje Protiv: • potreban stalan vjetar za stalno generiranje struje – nepredvidljivost i lokaliziranost proizvodnje • opasnost za ptice – nove sporije turbine vidljive za ptice • nepoznat utjecaj velikih farmi na klimu

17. Zašto offshore turbine pogonjene vjetrom? Mane: • tehnički zahtjevno • skupo – teži uvjeti i veći troškovi održavanja Prednosti: • lokacije na kopnu su uglavnom iskorištene • nema “smetnje” susjedima • vjetar je jači na moru (1.5 x više snage nego na kopnu) • nema raslinja i zgrada

18. PLUTAJUĆA VJETRO-ELEKTRANA

19. Nysted Offshore Wind Farm: • najveća “offshore farma vjetra” na Svijetu. • 8 redova po 9 turbina, 10 km od kopna • turbine mogu proizvoditi energiju pri brzini vjetra od 3 m/s (povjetarac) i automatski se zaustavljaju kada pređe 25 m/s

20. Prije gradnje farme Danish National Environmental Institute proveo je opsežno ispitivanje utjecaja na okoliš Štetni utjecaj na okoliš zbog: • fizičkog prisustva • buke i vibracija • drugi utjecaji (izgradnja “tvrdog dna” betoniranjem) Utječe na: • ptice • morske sisavce i ribe (privlačenje riba)

21. Postavljanje farme vjetra

25. Plovidba u blizini farme: • navigacija kroz Nysted Offshore Wind Farm je neograničena • nije dopušten pristup turbinama, niti sidrenje • crvene i zelene oznake na turbinama označavaju preporučene navigacijske rute (eng. recommended navigation route) dijagonalno • vjerojatnost udara broda - jednom svakih 300 milijuna godina

26. 2. Energija valova (eng. Wave Power) Energijapovršinskih valova koristi se za proizvodnju struje, desalinizaciju..., ali nema široku primjenu – postoji tek nekoliko eksperimentalnih postrojenja. Energija morskih valova razlikuje se od energije morskih mijena i oceanskih stalnih struja. Prednosti energije valova nad energijom plime i oseke: • energija vala je veća nego energija plime i oseke • može se eksploatirati na više lokacija (premještanje) Umjerene zone su najpogodnije područja zbog prevladavajućih zapadnih vjetrova koji najjače pušu zimi.

27. Kada neki objekt postavimo na val on se kreće gore-dole po eliptičnoj trajektoriji energija vala ovisi o: visini vala, dužini vala i gustoći vode potencijalna energija serije valova = (visina vala)2 x period vala (vrijeme između dva vrha vala)

28. Veličina vala je određena: • brzinom vjetra do određene brzine (eng. fully developed sea) i privjetrištem, te • dubinom mora i • topografijom dna. Najveći valovi (osim olujnih) visine 15 metara, perioda 15 sekundi. Mjerenje valova

29. Podjela postojećih elektrana: • po lokaciji: • obalne - fiksni obalni objekti • offshore - usidrene plutače koje se gibaju na valovima • po metodi hvatanja vala: • absorpcijom - kolona s oscilirajućom vodom • prigušivanjem - paralelne širenju vala (projekt Pelamis), • opterećenjem - okomite širenju vala (projekt Wave Dragon).

30. Fiksni obalni objekti – najčešće absorpcijskog tipa kolone s oscilirajućom vodom

31. Plutače Kolona s oscilirajućom vodom (eng. oscillating water column - OWC) nalazi se u centralnoj cijevi plutače – radi kao klip gurajući zrak iz cijevi i povlačeći ga natrag Izazovi: potrebno je predimenzioniranje plutača da bi izdržali oluje korozija – skupi materijali

32. Eksperimenti:Elektrana The Wave Dragon u Nissum-Bedding, Danska • usidreni konverter energije - plutajući labavo • valovi preklapaju strane rezervoara i pokreću hidrogeneratore • održavanje i popravci se mogu vršiti na moru – mali troškovi

33. Pelamis Wave Energy Converter: • prigušni uređaj pretvara samo dio energije valova u energiju i na taj način može preživjeti teške oluje • zglobni ponton sastoji se od serije poluuronjenih cilindrični sekcija zglobno povezanih • val inducira relativno gibanje sekcija, a hidraulička pumpa tjera visokotlačno ulje kroz hidraulički motor koji pogoni generator • energija se sa svih veza prenosi jednim jedinim kabelom na spojnicu na morskom dnu • nekoliko uređaja može biti međusobno povezano i spojeno s obalom jednim pridnenim kabelom Pelamis wave power machine, UK

34. 3. Energija plime i oseke (eng. Tidal Power) Morske mijene (plima i oseka) su naizmjenično dizanje i spuštanje razine mora nastalo pod utjecajem gravitacijske sile od strane Mjeseca i Sunca u odnosu na Zemlju. Energija morskih mijena je: • obnovljivi izvor energije, • no za razliku od energije vjetra i solarne energiju predvidljiv! U Europi se mlinovi koje pokreće struja plime i oseke (Tide Mills) koriste već gotovo 1000 godina

35. Mane: • izbor lokacije je ključan kao i kod farmi vjetra, jer se elektrane mogu postavljati na mjestima dovoljno velikih amplituda - USSR, USA, Kanada, Australija, Koreja, UK... • ciklus morskih mijena je baziran na rotaciji Mjeseca (24.8 h) a zahtjevi za električnom energijom na rotaciji Zemlje (24 h), pa proizvodnja energijenije u fazi s zahtjevom za energijom - konvencionalne metode proizvode energiju 6 do 12 sati u 24 sata, pa se javlja potreba za dodatnim izvorima energije sa kraćim vremenom pokretanja/zaustavljanja – rješenje: novi škotski izum GENTEC venturi ima puni kapacitet 24 sata dnevno

36. Princip rada: Potencijalna energija sadržana u stupcu vode E = xMg gdje je x - amplituda plimnog vala (u Bay of Fundy se zbog rezonance pojačava plimni val i može biti do 10 m - 17 m), M - masa vode, g - gravitacija.

37. Dva tipa elektrana za korištenje energije plime i oseke ovisno o energiji koju koriste: A. Brane (metoda lagune) koriste potencijalnu energiju razlike u razini mora između plime i oseke (engl. head). Branom se ograđuje određeno područje. Razlika razine mora u laguni u odnosu na okolno more pokreće turbine. Najveća takva brana je (240 MW, 600 milijuna kWh) La Rance (Francuska, 1967). B. Podvodne turbine koje koriste kinetičku energijustruje plime i oseke. Prikladniji su nego brana jer nema velikih zahvata u okoliš. Prikladna mjesta za postavljanje su tjesnaci ili uski fjordovi gdje postoje jake periodične struje morskih mijena (Norveška).

38. A. Elektrane koje koriste razliku u razini mora plime i oseke Brane zatvaraju bazene i zadržavaju određenu razinu vode unutar bazena. Osnovni elementi brane: • turbine, • ustave (eng. Sluice) i • odvodni kanali (eng. Culvert) smješteni su u betonskoj brani u podvodnom zvonu ili nasipu koji zatvara bazen ukoliko nema betonske brane.

39. Podvodno zvono (eng. caisson) – konstruira se tako da se voda može ispumpati i radni okoliš je suh kod gradnje pod vodom

41. Turbina

43. Način rada Generacija za vrijeme oseke okolnog mora (eng. ebb generation). Bazen se napuni za vrijeme plime preko ustave i turbine koja se slobodno okreće. Kad se napuni vrata se zatvaraju i ostaju zatvorena dok razina mora izvan ustave ne padne. Kada padne, otvaraju se vrata i struja vode preko turbina generira električnu energiju. Generacija za vrijeme plime (eng. flood generation). Bazen je prazan i preko odvodnih kanala ulazi more i turbine generiraju struju za vrijeme plime. Ovo je manje efikasno jer je manja razlika između razine vode u bazenu i u okolinom moru nego kod prvog načina.

44. Generacija i za vrijeme plime i za vrijeme oseke (eng. two-way generation). Kombinacija dva prije spomenuta načina. • Generacija pomoću dva bazena (eng. two-basin schemes). Jedan se bazen puni za vrijeme plime, a drugi se prazni za vrijeme oseke. Turbine su između njih i pokreću se propuštanjem vode iz jednog bazen u drugi. Električna energija se može proizvoditi u odabrano vrijeme, ali je skuplja investicija.

45. Razne izvedbe podizanja i spuštanja vrata ustava: • flap sluice gate — vrata se okreću oko osovine na gornjem rubu vrata. Kada je pritisak na vrata dovoljno velik vata se otvaraju. Na pritisak s druge strane vrata ostaju zatvorena. • vertical rising sluice gate — vrata se otvaraju klizanjem u vertikalnom pravcu. Upravljana su pomoću uređaja. • needle sluice — ustava se formira pomoću pritiska vode na brojne igle koje se nalaze na čvrstom okviru. • radial sluice gate — struktura kod koje mali dio cilindrične površine služi kao vrata. Vrata nosi radijalna konstrukcija koja ide kroz radijus cilindra, a nastavlja se protuutegom. • rising sector sluice gate — također dio cilindrične površine koja leži na dnu kanala diže se rotacijom oko svog centra.

46. Environmental impact • utjecaj na kvalitetu vode jer je smanjena izmjena vode između bazena i otvorenog mora: • turbiditet se smanjuje, a smanjena količina suspendirane tvari povećava prozirnost i stvara bolje uvjete za razvoj fitoplanktona. Kroz hranidbeni lanac promjene se očituju u cijelom ekosustavu; • salinitet se smanjuje; • veća akumulacija sedimenta; • veća akumulacija organske tvari povećava rast bakterija i prisutnost drugih zagađivača. • utjecaj na žive organizme – opasnost od turbina pokušava se riješiti dizajnom turbina prilagođenim ribama (eng. fish-friendly turbine design) ili alternativnim metodama: liftovima za ribe, sonarnim navođenjem riba van turbina... • utjecaj na staništa – jaružanje, betoniranje...

47. Economic considerations • visoka početna investicija (eng. high capital cost) i niski troškovi održavanja (eng. very low running cost) • potrebno je dugo vrijeme za povrat investicije – najčešće financiranje od strane Vlada

48. PRIMJER La Rance Tidal Barrage • Izgrađena 1960-67 • Trošak investicije oko 534 milijuna Eura • Brana duga 330m, razlika plime i oseke 8m • Turbine 11 m ispod najniže razine mora • Zadovoljava 3% potrošnje regije • Lock za prolaz malih plovila

49. B. Elektrane koje koriste struje morskih mijena Rade kao podvodne vjetrenjače koje se okreću oko vertikalne osi. Rotacija turbine je u oba smjera. Rotor od 4 propelera spojen je s generatorom koji je iznad površine mora radi lakšeg održavanja. • Fiksne (eng.tidal fence) - turbina se nalazi u betonskom oklopu na morskom dnu • pokretne

50. Projekti za budućnost Tidal "wind farms“ (elektrane za morske mijene po uzoru na vjetroelektrane) - novi modeli s turbinama sličnim onima na farmama vjetra The Stingray (raža) - kut velikih hidrokrila (hydroplanes) mijenja se ovisno o struji mijena i ovo se gibanje prenosi na cilindar. Visokotlačno ulje (eng. high-pressure oil ) pokreće hidraulični motor koji pogoni generator.