obnovljivi izvori energije -...

Obnovljivi izvori energije1/14/2019 SKIS - 2017/18. 1

ENERGIJA VETRA

ENERGIJA VODE

GEOTERMALNAENERGIJA

BIOENERGIJA

ENERGIJASUNCA

Obnovljiviizvori

energije

Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEU5C03)

Modul US - 2018/19.Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEE5A05)

Modul E - 2018/19.Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEM5A04)

Modul EKM - 2018/19.

Prof.dr Dragan Pantić, kabinet 337, dragan.pantic@elfak.ni.ac.rsProf. dr Dragan Mančić, M2-4, dragan.mancic@elfak.ni.ac.rs

1/14/2019 SKIS - 2017/18. 3

1/14/2019 SKIS - 2017/18. 4

1. Izvori energije.

Termin izvor energije u fizičkom smislu nemasmisla, jer se kosi sa osnovnim Zakonom o održanju energije

Pod izvorima energije se podrazumevaju onielementi koji mogu dati određenu korisnuenergiju tj. energiju koja će vršiti koristanrad

Dele se u dve osnovne grupe:

◦ Obnovljivi izvori energije◦ Neobnovljivi (konvencionalni) izvori

energije

Kada se govori o obnovljivim izvorimaenergije (često se koristi i termin ekološkičista energija)

1/14/2019 SKIS - 2017/18. 5

2. Obnovljivi izvori energije.

Obnovljivi izvori energije su izvori energije koji se nalaze u prirodi i obnavljaju se:

Sunčeva energija Energija vetra Hidroenergija Termalna energija Energija plime i oseke Energija talasa Kapilarni sistemi Gorive ćelije Vodonik

1/14/2019 SKIS - 2017/18. 6

1/14/2019 SKIS - 2017/18. 7

3. Neobnovljivi izvori energije.

Neobnovljivi izvori energije po samoj svojoj definiciji imaju ograničenu količinu i samim tim nisu dugoročno održivi:

Nuklearna energija Ugalj

Nafta Prirodni gas

1/14/2019 SKIS - 2017/18. 8

4. Koje su tri osnovne tehnologije korišćenja (konverzije) solarne energije?

Postoje tri tehnologije korišćenja solarnog zračenja kao aktivnog izvora energije:◦ Solar photovoltaics (PV) – električna energija se

generiše direktnom konverzijom sunčevog zračenja◦ Concentrating solar power systems (CSP) – koristi

se koncentrisano solarno zračenje kao izvor visoke temperature, koji se dalje koristi za dobijanje električne energije.

◦ Solar heating and cooling (SHC) – za zagrevanje ili hlađenje vode ili prostorija koriste termičku energiju direktno od Sunca.

Ova tri načina iskorišćavanja solarnog zračenja nisu konkurentna. Naprotiv, oni se dopunjavaju i u zavisnosti od postojećih uslova i zahteva, bira se najpogodniji način za korišćenje solarnog zračenja.

1/14/2019 SKIS - 2017/18. 9

5. Navedite osnovne PV tehnologije.

Crystalline silicon (c-Si) moduli predstavljaju 85-90% godišnje svetske proizvodnje. C-Si moduli su podeljeni u dve kategorije:◦ single crystalline (sc-Si) i ◦ multi-crystalline (mc-Si).

Thin films moduli trenutno predstavljaju 10% do 15% godišnje prodaje PV modula. Oni su podeljeni u tri kategorije:◦ amorphous (a-Si) i micromorph silicon (a-Si/µc-Si), ◦ Cadmium-Telluride (CdTe), i ◦ Copper-Indium-Diselenide (CIS) and Copper-Indium-Gallium-Diselenide

(CIGS).

Emerging technologies – obuhvataju napredne tanke filmove i organske ćelije.

Concentrator technologies (CPV) – koriste optičke koncentratorse sisteme koji fokusiraju solarno zračenje na male, visokoefikasne ćelije. CPV tehnologije su trenutno u fazi intenzivnog testiranja.

Novel PV concepts – cilj je dobijanje vrlo efikasnih solarnih ćelija korišćenjem naprednih materijala i foto-hemijskih procesa. Trenutno su predmet intenzivnih proučavanja.

1/14/2019 SKIS - 2017/18. 10

6. Navedite bar tri različite vrste solarnih ćelija.

1/14/2019 SKIS - 2017/18. 11

7. Skicirati na jednom grafiku efikasnost i cenu I, II i III generacije solarnih ćelija.

1/14/2019 SKIS - 2017/18. 12

1/14/2019 SKIS - 2017/18. 13

8. Kolika je maksimalna teorijska efikasnost Si solarnih ćelija? Objasniti zašto efikasnost ne može biti veća od te vrednosti.

1/14/2019 SKIS - 2017/18. 14

9. Koliko iznosi vrednost solarne konstante?

1/14/2019 SKIS - 2018/19 15

10. Koji su osnovni procesi prenošenja

toplote u solarnom kolektoru?

1/14/2019 SKIS - 2018/19. 16

10. Koji su osnovni procesi prenošenja

toplote u solarnom kolektoru?

Radijacija◦ qsun – solarna iradijacija

◦ qemit – emitovana energija zračenja od panela

Konvekcija◦ qconv,air – toplotni gubici zbog vetra

◦ qconv,medium – prenos toplote ka medijumu

Kondukcija◦ qcond,panel – prenos toplote ka metalnim delovima panela

◦ qcond,insulator – toplotni gubici ka izolatoru panela

1/14/2019 SKIS - 2018/19. 17

11. Princip korišćenja solarne energije za zagrevanje?

1/14/2019 SKIS - 2018/19. 18

12. Koje su prednosti korišćenja solarnog zračenja za zagrevanje vode?

Dobijamo toplu vodu tokom cele godine –

dogrevanje na neki drugi način je

potrebno sam tokom zimskih meseci, i to ne uvek!

Značajno smanjenje računa za utrošenu

električnu energiju.

Smanjenje emisije CO2.

Niska cena održavanja sistema.

1/14/2019 SKIS - 2018/19. 19

13. Šta je solarni kolektor?

Predstavlja element solarnog sistema koji direktno pretvara sunčevu energiju u toplotnu energiju vode ili nekog drugog fluida koji se koristi u sistemu.

1/14/2019 SKIS - 2018/19. 20

14. Vrste solarnih kolektora.

Ravni (flat-plate) kolektori

Kolektori sa vakuumskim cevima

Parabolični kolektori

1/14/2019 SKIS - 2018/19. 21

15. Načini zagrevanja vode.1/14/2019 SKIS - 2018/19. 22

16. Vrste solarnih toplotnih sistema –

prema načinu zagrevanja vode.

OTVORENI – voda koja se zagrejava

prolazi direktno kroz kolektor koji se

nalazi na krovu. Problem koji se ovde pojavljuje je mogućnost smrzavanja vode

u toku zimskih meseci.

ZATVORENI – kroz kolektore prolazi

tečnost koja se ne smrzava (glikol ili

antifriz) i mogu se koristiti i kada je temperatura ispod nule.

1/14/2019 SKIS - 2018/19. 23

17. Vrste solarnih toplotnih sistema –

prema načinu cirkulacije vode.

Toplotni sistemi sa prirodnom cirkulacijom

Toplotni sistemi sa pumpom

1/14/2019 SKIS - 2018/19. 24

18. Skicirati solarni sistemi za zagrevanje vode sa prirodnom cirkulacijom.

1/14/2019 SKIS - 2018/19. 25

19. Skicirati solarni sistemi za

zagrevanje vode sa pumpom.

1/14/2019 SKIS - 2018/19. 26

20. Koja su ograničenja pri korišćenju

solarne termalne energije?

Geografski aspekt◦ Solarno zračenje ima malu gustinu energije.

◦ Solarna energija je dostupna u kraktim vremenskim intervalima.

◦ Nestabilni vremenski uslovi.

Finansijski aspekt◦ Visoka cena u odnosu na tradicionalne izvore energije.

◦ Dostupnost mnogo ekonomičnijih tehnologija.

1/14/2019 SKIS - 2018/19. 27

21. Od čega sve zavisi solarno zračenje na površini Zemlje?

Dok je solarna radijacija na ivici Zemljine

atmosfere konstantna, zračenje na

površini Zemlje zavisi od:◦ Atmosferskih efekata, uključujući apsorpciju i

skaterovanje,

◦ Lokalnih uslova u atmosferi – isparenja, oblaci, zagađenja,

◦ Geografske širine,

◦ Godišnjeg doba, i

◦ Doba dana.

1/14/2019 SKIS - 2018/19 28

22. Skicirati osnovne uglove koji definišu poziciju Sunca za datu lokaciju.

1/14/2019 SKIS - 2018/19 29

23. Koji su atmosferski efekti na

solarno zračenje?

Smanjenje snage solarnog zračenja zbog apsorpcije, rasipanja i refleksije

Promena spektra solarnog zračenja zbog veće apsorpcije ili rasipanja nekih talasnih dužina

Uvođenje difuzione ili indirektne komponente u solarno zračenje

Lokalne varijacije u atmosferi (vodena para, oblaci, zagađenje) koje utiču na snagu, spektar i pravac solarnog zračenja.

1/14/2019 SKIS - 2018/19 30

24. Nacrtati spektar ekstraterestričnog solarnog zračenja i na njemu označiti viljdivi deo spektra i deo spektra koji može apsorbovati monokristalna Si solarna ćelija.

1/14/2019 SKIS - 2018/19 31

25. Šta je Air Mass faktor i kako se definiše?

Air Mass predstavlja dužinu koju svetlost prođe kroz atmosferu, pre nego što stigne do površine Zemlje, normalizovano sa najkraćim putem kada je Sunce direktno iznad glave.

1/14/2019 SKIS - 2018/19 32

26. Koja su dva ugla najvažnija za orijentaciju PV modula?

Ugao azimuta i ugao elevacije u solarno

podne su dva najvažnija ugla za

orijentaciju PV modula

1/14/2019 SKIS - 2018/19 33

27. Karakteristike svetlosti

Svetlost koju vidimo je samo deo ukupne energije koju emituje Sunce.

Sunčeva svetlost je oblik elektromagnetnog (EM) zračenja.

Krajem XIX veka se uočavaju efekti koji se ne mogu objasniti talasnim jednačinama svetlosti.

Plank je predložio da se ukupna energija svetlosti sastoji od elemenata koji imaju određeni kvant energije.

Ajnštajn se pridružio ovoj pretpostavci pri proučavanju fotonaponskog efekta.

Svetlost je sastavljena od paketa, ili čestica energije, zvanih fotoni.

Priroda svetlosti, tj. EM zračenja je dvojaka. U nekim pojavama EM zračenje se ponaša

kao skup čestica (fotoefekat, Komptonov efekat).

U drugim, EM zračenje ima osobine talasa (interferencija, difrakcija).

1/14/2019 SKIS - 2018/19 34

28. Osnovne karakteristike svetlosti

Osnovne karakteristike EM zračenja su:

Brzina 𝒄 = 𝝂 ∙ 𝝀

Frekvencija

Talasna dužina

Spektar elektromagnetnog zračenja

1/14/2019 SKIS - 2018/19 35

29. Kako se definiše energija fotona?

Foton se karakteriše:◦ ili talasnom dužinom l

◦ ili ekvivalentnom energijom E

◦ Plankova konstanta h=6.626×10-34J∙s

◦ Brzina svetlosti c=2.998×108m/s

1/14/2019 SKIS - 2018/19 36

30. Kako se definiše spektralno zračenje crnog tela

Crno telo apsorbuje kompletno zračenje

koje padne na njegovu površinu i emituje

zračenje na osnovu svoje temperature.

Spektralno zračenje crnog tela je dato

Plankovim zakonom:

1/14/2019 SKIS - 2018/19 37

• l – talasna dužina svetlosti• T – temperatura crnog tela (K)• F – spektralno zračenje• h, c, k - konstante

Planck-ov zakon

31. Na kom principu se zasniva rad solarne ćelije?

Princip rada svih solarnih ćelija je u svojoj

suštini isti i zasniva se na

fotoelektričnom efektu.

1/14/2019 SKIS - 2011/12 38

32. Kako solarna ćelija radi?Struktura solarne ćelije

1/14/2019 SKIS - 2018/19 39

32. Kako solarna ćelija radi?Apsorpcija fotona generiše par elektron-šupljina

1/14/2019 SKIS - 2018/19 40

32. Kako solarna ćelija radi?p-n spoj sprečava rekombinaciju, polje na spoju razdvaja nosioce naelektrisanja

1/14/2019 SKIS - 2018/19 41

32. Kako solarna ćelija radi?Posle prolaska kroz opterećenje elektron se sreće sa šupljinom i kolo se zatvara

1/14/2019 SKIS - 2018/19 42

33. I/V karakteristika solarne ćelije.I-V karakteristika - neosvetljena SC ima istu karakteristiku kao dioda

1/14/2019 SKIS - 2018/19 43

34. I/V karakteristika solarne ćelije u zavisnosti od intenziteta.I-V karakteristika – kada se osvetli SC genriše strujuI-V karakteristika – veći intenzitet svetlosti daje veći pomeraj karakteristike

1/14/2019 SKIS - 2018/19 44

35. Označiti struju kratkog spoja na

I/V karakteristici. Od čega ona zavisi?

1/14/2019 SKIS - 2018/19 45

• q – naelektrisanje elektrona

• G – brzina generacije• Ln – difuziona dužina elektrona

• Lp – difuziona dužina šupljina

Zavisi od:

• površine SC• broja fotona

• spektra incidentne svetlosti

• optičkih osobina materijala(apsorpcija i refleksija)

• verovatnoće prikupljanja nosilaca

36. Označiti napon otvorenog kola na

I/V karakteristici. Kako se definiše?

1/14/2019 SKIS - 2018/19 46

37. Objasniti šta je fill faktor.Fill factor – FF predstavlja najveći pravougaonik koji fituje IV karakteristiku

1/14/2019 SKIS - 2018/19 47

Empirijski izraz:

Fill faktor1/14/2019 SKIS - 2011/12 48

38. Kako se definiše efikasnost solarne ćelije?Efikasnost – h predstavlja najvažniju karakteristiku SC

1/14/2019 SKIS - 2018/19 49

Efikasnost – h predstavlja najvažniju karakteristiku SC

1/14/2019 SKIS - 2013/14. 50

39. Kako se može povećati

apsorpcija/generacija nosilaca?

Povećati broj fotona koji ulazi u strukturu solarne ćelije (AR slojevi, teksturizacija).

Optimizovati efektivnu debljinu apsorbera.

1/14/2019 SKIS - 2013/14. 51

40. Nacrtati na istom grafiku I-V karakteristiku i karakteristiku snage tipične solarne ćelije i

označiti tačku maksimalne snage.

1/14/2019 SKIS - 2011/12 52

Standardtestcondition:

41. Nacrtati na istom grafiku I-V karakteristiku c-Si i a-Si solarne ćelije.

1/14/2019 SKIS - 2011/12 53

42. Gubici kod solarne ćelije.1/14/2019 SKIS - 2011/12 54

43. Ekvivalentno kolo solarne ćelije.

Ekvivalentno kolo idealne solarne ćelije I-V karakteristika

1/14/2019 SKIS - 2011/12 55

Solarna ćelija – ekvivalentno kolo

1/14/2019 SKIS - 2011/12 56

44. Uticaj RS na I/V karakteristiku

1/14/2019 SKIS - 2012/13 57

45. Uticaj RP na I/V karakteristiku

1/14/2019 SKIS - 2012/13 58

46. Uticaj RS i RP na I/V karakteristiku

solarne ćelije

1/14/2019 SKIS - 2012/13 59

47. Uticaj temperature na električne karakteristike solarne ćelije.

1/14/2019 SKIS - 2011/12 60

48. Koja je uloga bypass diode?

Bypass dioda◦ Preterano zagrevanje

dovodi do trajnog uništenja solarne ćelije

◦ Ćelija pod senkom se ponaša kao potrošač

◦ Struja koja protiče kroz nju se konvertuje u toplotu

◦ Izbegava se efekat vrućih tačaka

◦ Optimalno jedna dioda na jednu ćeliju, u praksi 15-20 ćelija na diodu.

1/14/2019 SKIS - 2011/12 61

Moduli (paneli)1/14/2019 SKIS - 2011/12 62

49. Koje su prednosti korišćenja energije vetra?

PREDNOSTI◦ Vetroturbine su pogodne za dobijanje električne energije u ruralnim, izolovanim područjima.

◦ Cena dobijene električne energije je uporediva sa cenom električne energije koja se dobija konvencionalnim metodama gde se za dobijanje energije uglavnom koriste fosilna goriva (ugalj, nafta, gas).

◦ Visoka pouzdanost rada postrojenja.◦ Nema troškova za gorivo.◦ Nema zagađenja okoline.

1/14/2019 OIE - 2018/19 63

50. Koji su nedostaci korišćenja energije vetra?

NEDOSTACI - MANE

◦Buka

◦Problem malih i velikih brzina vetra

◦Ometanje radio i TV signala

◦Vizuelni efekti

◦Cena

1/14/2019 OIE - 2018/19 64

51. Šta utiče na porast korišćenja energije vetra?

Zahtevi za čistom energijom

Smanjenje cene električne energije koja se dobija iz energije vetra.

1/14/2019 OIE - 2018/19 65

52. Poreklo vetra.

Vetar je pojava koja nastaje kao

posledica veoma kompleksnih

mehanizama koji uključuju: rotaciju Zemlje oko Sunca,

toplotnu energiju od Sunca,

efekat hlađenja izazvan velikim vodenim površinama i polarnim ledenim kapama,

temperaturnim gradijentima koji se formiraju

između kopna i vode, itd.

1/14/2019 OIE - 2018/19 66

53. Od čega zavisi snaga vetra?

Snaga vetra zavisi od:

Količine vazduha (zapremina)

Brzine vazduha (brzina)

Mase vazduha (gustina)

1/14/2019 OIE - 2018/19 67

54. Energija vetra.

Energija vetra je bazirana na kretanju vazduha, tj. kinetičkoj energiji vazdušne mase koja se kreće na visini do 150m od površine tla, što predstavlja trenutno najveću visinu vetrenjača.

Energija koja se pri tome dobija zavisi od:◦ Brzine vetra◦ Mase vazduha (preciznije od gustine vazdušnog fluida)

◦ Na gustinu utiču temperatura i pritisak vazduha, kao i visina.

1/14/2019 OIE - 2018/19 68

55. Osnovne komponente vetroturbine.

LopaticeRotor-centar

KulaOsnova

1/14/2019 OIE - 2018/19 69

56. Vrste vetroturbina.

Horizontalna osa – HAWT◦ 1, 2, 3 lopatice: veća efikasnost◦ Dobar odnos brzine i obrtnog

momenta

Vertikalna osa – VAWT◦ Darrieus – lift force◦ Savonius – drag force

1/14/2019 OIE - 2018/19 70

57. Šta je potrebno da se izračuna energija vetroturbine?

Karakteristike vetra –funkcija gusine verovatnoće

Kriva snage

Faktor kapaciteta

1/14/2019 OIE - 2018/19 71

58. Određivanje snage vetroturbine

Konkretan slučaj

Brzina vetra:

𝑣 = 12m/s

Gustina vazduha:

𝜌 = 1.23kg/m3

Dužina elise:

𝑙 = 52m

Koeficijent snage:

𝐶𝑃 = 0.4

1/14/2019 OIE - 2018/19 72

58. Određivanje snage vetroturbine

Konkretan slučaj

𝑙 = 𝑟 = 52m/s

𝐴 = 𝜋 ∙ 𝑟2 = 8495m2

𝜌 = 1.23kg/m3

𝑣 = 12m/s

𝐶𝑃 = 0.4

𝑃 =1

2𝜌𝐴𝑣3 ∙ 𝐶𝑃

𝑃 = 3.6MW

1/14/2019 OIE - 2018/19 73

59. Geotermalna energija.

Prirodna toplota Zemlje pri čemu se podrazumeva toplota akumulirana u fluidima i stenskim masama u Zemljinoj kori

Potencijali geotermalne energije su ogromni tako da se ona tretira kao obnovljivi izvor energije iako je u suštini neobnovljiv

Ukoliko bi se toplota dobijena smanjenjem temperature Zemljinog omotača za 0.1oC, iskoristila za dobijanje električne energije, dobila bi se električna energija za sledećih 15000 godina sa sadašnjim nivoom potrošnje

1/14/2019 OIE - 2018/19 74

60. Osnovni elementi geotermalnog sistema.

Geotermalni sistem ima tri osnovna elementa:◦ Izvor toplote

◦ Rezervoar, i

◦ Fluid koji se koristi za

transfer toplote.

1/14/2019 OIE - 2018/19 75

61. Osnovni tipovi geotermalnih

elektrana za proizvodnju električne

energije.

Flash-steam elektrane

Klasičan ciklus sa suvom parom

Elektrane sa binarnim ciklusom

1/14/2019 OIE - 2018/19 76

62. Flashed Steam elektrane.

Najčešće geotermalne elektrane

Vruća voda prolazi kroz nekoliko separatora, pri čemu se smanjuje njen pritisak

Deo se pretvara u paru koja se koristi za pokretanje turbine generatora, a ostatak se vraća natrag, gde se voda ponovo zagreva

1/14/2019 OIE - 2018/19 77

63. Dry Steam elektrane.

Neki geotermalni izvori direktno daju vodenu paru

Ona se koristi za pokretanje turbine generatora

Kondenzovana vodena para (voda) se vraća nazad

1/14/2019 OIE - 2018/19 78

64. Binary Power elektrane.

Geotermalna voda prolazi kroz izmenjivač toplote

Toplota se prenosi na sekundarni, binarni, radni fluid

Radni fluid isparava i generisana para pokreće turbinu generatora.

1/14/2019 OIE - 2018/19 79

65. Koje vrste geotermalnih sistema postoje?

Otvoreni sistemiZatvoreni sistemiSistemi sa toplotnom pumpom

1/14/2019 OIE - 2018/19 80

66. Otvoreni i zatvoreni geotermalni sistemi.

1/14/2019 OIE - 2018/19 81

67. Otvoreni geotermalni sistem.

Geotermalni fluid cirkuliše kroz sistem

Zahtev je dovoljna čistoća fluida

1/14/2019 OIE - 2018/19 82

68. Zatvoreni geotermalni sistem -horizontalni

Najisplativiji sistem za kuće kada postoji dovoljno prostora za postavljanje cevi

1/14/2019 OIE - 2018/19 83

69. Princip rada toplotne pumpe

Toplotna energija koja se uzima iz okoline (temperatura od +7oC do +14oC) ulazi u isparivač pumpe. U cevi se nalazi gas R407c koji preuzima energiju. Ovaj gas zadržava svoje stanje čak i na temperaturama ispod nule.

1/14/2019 OIE - 2018/19 84

69. Princip rada toplotne pumpe

Gas ulazi u kompresor i podiže se na viši

pritisak što dovodi do značajnog

povećanja njegove temperature (uglavnom +90-95oC, a može i više)

1/14/2019 OIE - 2018/19 85

69. Princip rada toplotne pumpe

Unutar zatvorenog sistema izmenjivač

toplote vrši predavanje toplote gasa na

sistem za grejanje

1/14/2019 OIE - 2018/19 86

69. Princip rada toplotne pumpe

Zahvaljujući predaji toplotne energije gas se vraća na prvobitnu temperaturu, dovodi se do ekspanzionog suda i ventila pri čemu se pritisak vraća u početno stanje. Gas se sada ponovo vraća u isparivač i proces počinje ponovo.

1/14/2019 OIE - 2018/19 87

70. Prednosti geotermalne energije.

Obnovljiv i održiv izvor energije – Očuvanje resursa – smanjuje se potrošnja

fosilnih goriva i uranijuma Zaštita okoline – nema negativne uticaje na

okolinu Zaštita atmosfere – CO2 je naravno prisutan ali

geotermalne elektrane emituju manj od 4% u odnosu na elektrane na fosilna goriva. Problem predstavlja H2S, ali postoji oprema kojom se redukuje 99% emisije ovog gasa

Vizuelna zaštita – zauzimaju vrlo malo prostora neposredno iznad izvora energije

Niska cena – smanjena je za oko 25% u poslednjih 20 godina

1/14/2019 OIE - 2018/19 88

71. Šta je biomasa?

Predstavlja prvobitni izvor energije Organski materijali koji imaju energetsku

vrednost koja se može pretvoriti u gorivo ili direktno u toplotnu energiju

I danas se još uvek dominantno koristi na tradicionalan način (direktno sagorevanje, a ne prerada u tečno ili gasovito gorivo)

Biomasa se može koristiti kao:◦ Čvrsto gorivo: drvo, pelet

◦ Tečno gorivo: bioetanol, biodizel, bioulja◦ Gasovito gorivo: biogas, vodonik

1/14/2019 OIE - 2018/19 89

72. Prednosti biomase.1/14/2019 OIE - 2018/19 90

72. Prednosti biomase

Biomasa predstavlja uskladištenu solarnu energiju – prirodna baterija.

Biomasa je jedini obnovljivi izvor energije koji se može odrađivati na sličan način kao fosilna goriva u postojećim energetskim sistemima, što omogućava postepeni prelaz na obnovljivu energiju.

Biomasa se formira relativno brzo putem fotosinteze iz ugljen dioksida i vode. CO2 se oslobađa u sistemima za konverziju energije, i može se ponovo koristiti u procesu fotosinteze. Predstavlja CARBON NEUTRAL gorivo.

Otpad i nusproizvodi koji nastaju na primer u prehrambenoj industriji se mogu valorizovati i pretvoriti u energiju, toplotu ili hemikalije.

Biomasa se već uzgaja za hranu, stočnu hranu, prirodna vlakna, drvna industrija. Lako je dostupna i ljudi imaju iskustva u radu sa njom.

Uzgoj i prikupljanje biomase može značajno popraviti ekonomsku situaciju u ruralnim sredinama – nova radna mesta. Može uticati na smanjenje migracije stanovništva iz sela u grad.

Za dobijanje energije iz biomase se koriste dostupni materijali, za razliku od nekih drugih izvora energije gde se koriste retki materijali – Ga i In u solar ili niobium i neodium kod vetroturbina.

1/14/2019 SKIS - 2017/18. 91

73. Nedostaci biomase.1/14/2019 OIE - 2018/19 92

73. Nedostaci biomase.1/14/2019 OIE - 2018/19 93

Mala efikasnost konverzije solarne energije u biomasu – reda 1%, ua zavisnosti od vrste. Potrebne su relativno velike površine za prikupljanje dovoljno materijala za konverziju u energiju.

Biomasa se karakteriše malom gustinom energije u poređenju sa fosilnim gorivima – kubni metar nafte ima mnogo više energije od kubnog metra drva. Iako je biomasa obnovljiva, tokom celog ciklusa se u značajnoj meri koriste fosilna goriva. Za proiizvodnju đubriva i pesticida, za rast i prikupljanje biljaka, za transport sakupljenog materijala.

Zbog svega ovoga, u proizvodnji biogoriva je značajno prisustvo CO2.

Korišćenje biomase je složeni proces počevši od sejanja pa do finalne konverzije i upotrebe – razvojna politika i logistika, hemijska industrija, poljoprivreda, itd.

Bioenergija može biti u konfliktu sa postojećim ekološkim i ekonomskim strategijama. Korišćenje biomase može biti konkurentno proizvodnji hrane.

Da bi se dobilo zemljište za energetske plantaže često se seku šume. To dovodi do ozbiljnog gubitka biodiverziteta i skladištenja ugljenika. Nepoželjno je sečenje tropskih šuma da bi se dobila zemlja za uzgoj energetskih kultura.

Ozbiljan problem – sve oskudniji izvori vode.

74. Sastav biomase.1/14/2019 OIE - 2018/19 94

74. Sastav biomase.1/14/2019 OIE - 2018/19 95

Biomasa se sastoji od kompleksnih molekula. Poznavanje sastava omogućava njeno optimalno korišćenje.

Biomasa je organska materija koja potiče od živih organizama. Razmatra se samo korišćenje biljaka. Različite biljke imaju različite sastave (kompozicije), ali uvek postoje tri važne komponente koje biljci daju njenu strukturu i čvrstoću.

To su: celuloza, hemiceluloza i lignin.

Celuloza je biopolimer: sastoji se og malih molekula šećera koji se povezuju i formiraju velike molekule.

Hemiceluloza se vezuje za celulozna vlakna i pri tome formira mrežu. To je isto biopolimer, ali dok je celuloza izgrađena od jedne vrste šećera hemiceluloza ima različite tipove gradivnih blokova. Pored toga, hemiceluloza je kraća i tipično sadrži oko 100 jedinica šećera po molekulu, dok celuloza ima oko 1000 jedinica šećera po molekulu.

Lignin daje čvrstoću strukturi. Takođe se sastoji od velikih molekula, ali ova komponenta se gradi od različitih jedinica – ne radi se o molekulima šećera. Teže se razlaže od celuloze i hemiceluloze.

Mnoge biljke, pored ovoh strukturnih komponenti – šećer i ulje, imaju i skrob kao važnu komponentu. Skrob je takođe izgrađen od jedinica šećera, ali na način da ih je mnogo lakše razgraditi.

Ove biljke se lako pretvaraju u tečna biogoriva – ali predstavljaju konkurenciju lancu ishrane. Ova vrsta biogoriva se naziva biogorivo prve generacije.

75. Tipovi biogoriva.1/14/2019 OIE - 2018/19 96

75. Tipovi biogoriva.1/14/2019 OIE - 2018/19 97

Mnoge biljke, pored ovoh strukturnih komponenti – šećer i ulje, imaju i skrob kao važnu komponentu. Skrob je takođe izgrađen od jedinica šećera, ali na način da ih je mnogo lakše razgraditi.

Ove biljke se lako pretvaraju u tečna biogoriva – ali predstavljaju konkurenciju lancu ishrane. Ova vrsta biogoriva se naziva biogorivo prve generacije.

Celuloza, hemiceluloza i lignin se teže pretvaraju u biogorivo. Biogoriva dobijena na ovaj način (od drveta ili slame) nazivaju se druga generacija biogoriva.

Konačno, alge mogu poslužiti kao polazište za proizvodnju biogoriva. To su biogoriva treće generacije

76. Fizička predobrada biomase.

1/14/2019 OIE - 2018/19 98

76. Fizička predobrada biomase.

Skladištenje

Smanjenje sadržaja materijalaštetnih za

dalju obradu (uklanjanje kamenja, prosejavanje ili pranje)

Smanjenje veličine

Smanjenje sadržaja vlage

Povećanje gustine energije – presovanje

Homogenizacija sirovine ili pametno mešanje sirovina – stabilniji kvalitet

1/14/2019 OIE - 2018/19 99

77. Fermentizacija.1/14/2019 OIE - 2018/19 100

77. Fermentizacija.

Najčešća konverzija šećera u etanol je uz pomoć kvasca (yeast).

Ovaj postupak se naziva fermentacija (odvija se vekovima za pravljenje piva).

Odvija se u dva koraka: prvi, enzimi razgrađuju velike molekule šećera i skroba na manje, drugi, ćelije kvasca pretvaraju manje molekule u etanol i ugljen dioksid. Da bi se ovaj proces odvijao važno je da nema prisutnog kiseonika.

1/14/2019 OIE - 2018/19 101

78. Druga generacija etanola.1/14/2019 OIE - 2018/19 102

78. Druga generacija etanola.

Bolje je koristiti biomasu koja nije u lancu ishrane, a i trebalo bi koristiti biljke efikasnije, a ne samo šećer iz njih.

Za to je potrebno razbiti veze između glavnih delova.

Mikroorganizmi ne korise lignin i zato se on mora ukloniti –može se gasifikovati.

Celuloza i hemiceluloza se razlažu na manje jedinice: tretman jakim kiselinama i bazama, eksplozija pare ili upotreba enzima.

Ishod procesa dobijanje manjih jedinica koje se mogu fermentisati u etanol

Trenutno se intenzivno traga za optimalnim rešenjem.

1/14/2019 OIE - 2018/19 103

79. Termohemijski procesi dobijanja biogoriva

1/14/2019 OIE - 2018/19 104

79. Termohemijski procesi dobijanja

biogoriva

Alternativni način dobijanja biogorivaje putem konvencionalne hemije na višim temperaturama.

Prvi korak je gasifikacija polaznog materijala. Ovo predstavlja razbijanje biomase u male gradivne blokove: vodonik i ugljen monoksid. Mešavina ova dva gasa se naziva sintetički gas.

Sada nam je potreban proces da povećamo molekule (mali molekuli – plin, veći molekuli – tečnost, ako su još veći – čvrsto)

Tečno gorivo je najpogodnije jer sadrži mnogo više energije od gasa po jedinici zapremine.

1/14/2019 OIE - 2018/19 105

80. Fisher Tropsch proces dobijanja biogoriva.

1/14/2019 OIE - 2018/19 106

80. Fisher Tropsch proces dobijanja biogoriva.

Konkretan proces: Fischer-Tropsch sinteza – najpoznatiji način za pretvaranje sintetičkog gasa u tečne ugljovodonike.

Izvodi se u velikom hemijskom reaktoru, tipična temperatura 200 do 300C na pritisku od 20bara.

Reakroe sadrži čestice katalizatora, koje ubrzavaju reakciju. Nusproizvodi su voda i puno toplote.

Dobijeni proizvod se ne može direktno koristiti, potreban je dodatni tretman da bi se dobilo kvalitetno gorivo.

Ovaj proces se izvodi u praksi i to ne uvek sa biomasom kao gorivo. Koristi se i za pretvaranje uglja i prirodnog gasa u tečno gorivo.

1/14/2019 OIE - 2018/19 107