Energijski viri prihodnosti

Transkripcija

1 Laboratorij za termoenergetiko Napredne tehnologije v energetiki Prihodnja preskrba z energijo

2 Prihodnja preskrba z energijo potrebe po energiji razpoložljivost energije viri energije neposredna energija Sonca energija vetra energija tekočih voda energija morij geotermalna energija jedrska energija neporabljena energija tehnologije shranjevanja energije modeliranje dinamičnih energetskih sistemov uvajanje novih tehnologij Napredne tehnologije v energetiki 2

3 Poraba energije pnš pnš 3000 pnš Napredne tehnologije v energetiki 3

4 letna poraba energije / J Poraba energije eksponentna rast s stopnjo 1,5 % leto jedrska energija vodna energija zemeljski plin nafta premog biomasa vir: Napredne tehnologije v energetiki 4

5 Eksponentna rast Pravilo 70: Pri eksponentni rasti s stopnjo p (v %) se vrednost podvoji vsakih 70/p let, p = 1,5 % t d = 50 let Poraba v vsakem podvojitvenem obdobju je enaka porabi v vseh predhodnih obdobjih skupaj! Napredne tehnologije v energetiki 5

6 Eksponentna rast letna stopnja rasti porabe razpoložljivost virov v letih 0 % 10, ,000 1 % 9, % 9, % 8, % 8, % 8, % 7, % 7, % 7, % 7, % 6, vir: Al Bartlett, Forgotten Fundamentals of the Energy Crisis Napredne tehnologije v energetiki 6

7 Prihodnja preskrba z energijo potrebe po energiji razpoložljivost energije viri energije neposredna energija Sonca energija vetra energija tekočih voda energija morij geotermalna energija jedrska energija neporabljena energija tehnologije shranjevanja energije modeliranje dinamičnih energetskih sistemov uvajanje novih tehnologij Napredne tehnologije v energetiki 7

8 Viri energije sevanje Sonca gravitacijski učinek Lune in Sonca gravitacijska privlačnost Lune gravitacijska privlačnost Sonca Luna Sonce Zemlja oseka plima notranja energija Zemlje jedrska energija reke... veter biomasa valovi Napredne tehnologije v energetiki 8

9 Razpoložljivost virov - Sonce poletni obrat pomladno enakonočje Sonce jesensko enakonočje zimski obrat Sonce α s γ s zahod jug γ θ z β vzhod sever upoštevani parametri: dan v letu (deklinacija, δ) ura v dnevu in časovni pas (urni kot Sonca, ω) zemljepisna dolžina (λ) in širina (φ) naklon (β) in azimut ploskve (γ) sončno sevanje nad atmosfero (G on ) indeks oblačnosti (k t ) odbojnost tal (ρ g ) teoretična energija sončnega sevanja na vodoravno ploskev v časovnem intervalu (W/m 2 ): πω ω G 12 2 o Gon cos φ cos δsinω sinω sinφ sinδ vpadni kot žarka na nagnjeno ploskev π 180 cos θ sinδ sinφ cosβ sinδ cos φ sinβ cosγ dejanska energija sončnega sevanja na nagnjeno ploskev v časovnem intervalu (W/m 2 ): cos δ cos φ cosβ cosω 1 cosβ β 1 cosβ cos δ sinφ sinβ cosγ cosω G 1 1 sin3 T Gb Gd Ai Rb Gd Ai f G ρg cos δ sinβ sinγ sinω Napredne tehnologije v energetiki 9

10 gostota sončnega sevanja / (kw/m 2 ) Razpoložljivost virov - Sonce 1.4 tedenski profil sončnega sevanja teoretični dejanski čas / h Napredne tehnologije v energetiki 10

11 Razpoložljivost virov - veter tedenski profil hitrosti vetra letni profil pretoka vode v m 3 /s Drava Sava Napredne tehnologije v energetiki 11

12 Razpoložljivost virov - plimovanje dnevni potek plimovanja mesečni potek plimovanja Napredne tehnologije v energetiki 12

13 Razpoložljivost virov - plimovanje mesečni potek plimovanja plimovanje mlaj prvi krajec ščip zadnji krajec Napredne tehnologije v energetiki 13

14 proizvodnja električne energije / MW Poraba energije profil proizvodnje električne energije slovenskih elektrarn pravilo stabilnega delovanja elektroenergetskega sistema: 1500 porabljen energijski tok = proizveden energijski tok 1000 dw P dt čas / h Napredne tehnologije v energetiki 14

15 električna moč / kw Poraba energije proizvodnja in poraba električne energije 2,5 2 porabljena energija = proizvedena energija 1,5 W P dt 1 porabljen energijski tok = proizveden energijski tok 0,5 dw P dt čas / h Napredne tehnologije v energetiki 15

16 električna moč / kw Poraba energije proizvodnja in poraba električne energije 2,5 2 porabljena energija = proizvedena energija 1,5 W P dt 1 porabljen energijski tok = proizveden energijski tok 0,5 dw P dt čas / h Napredne tehnologije v energetiki 16

17 Prihodnja preskrba z energijo potrebe po energiji razpoložljivost energije viri energije neposredna energija Sonca energija vetra energija tekočih voda energija morij geotermalna energija jedrska energija neporabljena energija tehnologije shranjevanja energije modeliranje dinamičnih energetskih sistemov uvajanje novih tehnologij Napredne tehnologije v energetiki 17

18 Sončno sevanje - toplota Napredne tehnologije v energetiki 18

19 Sončno sevanje - elektrika Napredne tehnologije v energetiki 19

20 moč / kw Sončno sevanje - elektrika proizvedena električna moč: G G T P PV YPV fpv 1 αp Tc Tc, STC T, STC izboljšanje učinkovitosti - sledilni sistem dvoosno sledenje enoosno sledenje brez sledenja kljub sledenju: ponoči ni proizvodnje oblačnost zmanjšuje proizvodnjo čas Napredne tehnologije v energetiki 20

21 Sončno sevanje - elektrika Napredne tehnologije v energetiki 21 pretvorba v električno energijo posredno preko toplote akumulacija energije manjša nihanja v proizvodnji preko dneva proizvodnja tudi ponoči P ρ H g p ρ T Δ Δ Δ Δ T c m P h m P p Δ Δ

22 Umetna fotosinteza in fotoliza pretvorba sončne svetlobe v gorivo (vodik ali ogljikovodike) - shranjevanje energije fotoni sončne svetlobe 2H 2 O O 2 fotoanoda - oksidacija vode - izločanje kisika protoni membrana fotokatoda - redukcija vodika gorivo Q m Hi Q mh 2H i 2 4H + Napredne tehnologije v energetiki 22

23 Sončno sevanje velika količina energije (skupno EJ, tehnično možno izkoristiti do EJ) obnovljiv in trajnosten vir razpoložljivo po vsej Zemlji uporaba ne povzroča emisij in hrupa (fotovoltaika) nizki stroški obratovanja razpoložljivost energije je naključna - potrebno je shranjevanje omejen čas razpoložljivosti energije - potrebno je shranjevanje gostota energije je majhna - potrebna je velika površina za zajemanje energije onesnaževanje in raba redkih materialov pri izdelavi (fotovoltaika) nizka učinkovitost pretvorbe visoki stroški investicije Napredne tehnologije v energetiki 23

24 Eksponentna rast razpoložljiva energija sonca: do EJ/leto pridobljena energija: do EJ/leto trenutna poraba energije: 550 EJ letna stopnja rasti porabe letna poraba energije % % % ****** 3 % ****** 4 % ****** ****** 5 % ****** ****** Je Sonce neskončen vir energije? Napredne tehnologije v energetiki 24

25 Prihodnja preskrba z energijo potrebe po energiji razpoložljivost energije viri energije neposredna energija Sonca energija vetra energija tekočih voda energija morij geotermalna energija jedrska energija neporabljena energija tehnologije shranjevanja energije modeliranje dinamičnih energetskih sistemov uvajanje novih tehnologij Napredne tehnologije v energetiki 25

26 Energija vetra Napredne tehnologije v energetiki 26

27 Energija vetra tokovnice zraka pred in za vetrnico 2.0 energija vetra (kinetična): Pmax v3 A1 ρ vetrnica v0-2.0 koristni presek zračnega toka v0 Hitrost vetra za vetrnico ne more biti 0! energija vetra, ki jo je mogoče izkoristiti (po Betzu): P 0,593 Pmax izkoristek vetrnice glede na razmerje hitrosti pred in za vetrnico izkoristek v0-1.5 presek vetrnice v1 = razmerje hitrosti za in pred rotorjem Napredne tehnologije v energetiki 27

28 Energija vetra Napredne tehnologije v energetiki 28

29 Energija vetra velika količina energije (tehnično možno izkoristiti 2250 EJ) obnovljiv in trajnosten vir uporaba ne povzroča emisij nizki stroški obratovanja razpoložljivost energije je naključna - potrebno je shranjevanje razpoložljivo v odmaknjenih področjih - transport energije gostota energije je majhna - potrebna je velika površina za zajemanje energije hrup visoki stroški investicije Napredne tehnologije v energetiki 29

30 Prihodnja preskrba z energijo potrebe po energiji razpoložljivost energije viri energije neposredna energija Sonca energija vetra energija tekočih voda energija morij geotermalna energija jedrska energija neporabljena energija tehnologije shranjevanja energije modeliranje dinamičnih energetskih sistemov uvajanje novih tehnologij Napredne tehnologije v energetiki 30

31 Energija tekočih voda P ηm gδh Napredne tehnologije v energetiki 31

32 Prihodnja preskrba z energijo potrebe po energiji razpoložljivost energije viri energije neposredna energija Sonca energija vetra energija tekočih voda energija morij geotermalna energija jedrska energija neporabljena energija tehnologije shranjevanja energije modeliranje dinamičnih energetskih sistemov uvajanje novih tehnologij Napredne tehnologije v energetiki 32

33 Energija morij - plimovanje vir: vir: P ηm gδh (hidroelektrarne) P η A ρ (vetrnice) v Napredne tehnologije v energetiki 33

34 Energija morij - valovanje vir: P ηf Δx val plovec nihanje hidravlični spoji valovi gibanje vode turbina in generator črpalka in generator tok zraka vir: Napredne tehnologije v energetiki 34

35 Valovanje vir: smer valov P ηf Δx veslo rezervoar hidravlična črpalka hidravlični motor generator plavajoča struktura preliv tok vode vodna turbina visok hidrostat. tlak nizek hidrostat. tlak vir: Napredne tehnologije v energetiki 35

36 Energija morij velika količina energije predvidljiva razpoložljivost (plimovanje) obnovljiv in trajnosten vir obratovanje ne povzroča emisij nizki obratovalni stroški visoka gostota energije glede na veter in sonce omejeno število primernih lokacij cikličen vir energije (plimovanje) - potrebno je shranjevanje razpoložljivost energije je naključna (valovanje) - potrebno je shranjevanje velik vpliv na okolje, življenje v morju visoki stroški investicije Napredne tehnologije v energetiki 36

37 Prihodnja preskrba z energijo potrebe po energiji razpoložljivost energije viri energije neposredna energija Sonca energija vetra energija tekočih voda energija morij geotermalna energija jedrska energija neporabljena energija tehnologije shranjevanja energije modeliranje dinamičnih energetskih sistemov uvajanje novih tehnologij Napredne tehnologije v energetiki 37

38 Geotermalna energija P m Δh P m cp ΔT vir: Geothermal Energy Association, Napredne tehnologije v energetiki 38

39 Prihodnja preskrba z energijo potrebe po energiji razpoložljivost energije viri energije neposredna energija Sonca energija vetra energija tekočih voda energija morij geotermalna energija jedrska energija neporabljena energija tehnologije shranjevanja energije modeliranje dinamičnih energetskih sistemov uvajanje novih tehnologij Napredne tehnologije v energetiki 39

40 Jedrska energija fuzija zlivanje jeder majhnih atomov v večjega velika gostota snovi in visoka temperatura (veliko energije) proces pogoji fizija cepitev jeder večji atomov v dve manjši kritična masa snovi in hitri nevtroni vodikovi izotopi (devterij in tritij) 'gorivo' predvsem uran 3-4 x energija iz fizije malo radioaktivnih delcev (razen, če je v kombinaciji s fizijo) sproščena energija stranski produkt 10 6 x energija iz kemičnih reakcij veliko radioaktivnih delcev eksperimentalno uporaba jedrske elektrarne E mc 2 de P η dt Napredne tehnologije v energetiki 40

41 povprečna vezna energija / MeV Jedrska energija fuzija fizija atomska masa E mc 2 de P η dt Napredne tehnologije v energetiki 41

42 Jedrska energija tehnologija je razvita in uporabna (fizija) proizvodnja energije je zelo koncentrirana energija je ves čas na voljo ni izpustov toplogrednih plinov relativno nizki stroški nevarnost uhajanja radioaktivnega sevanja v okolico (fizija) skladiščenje radioaktivnih odpadkov razgradnja objekta majhna količina primernega goriva (za obstoječe tehnologije) Napredne tehnologije v energetiki 42

43 Prihodnja preskrba z energijo potrebe po energiji razpoložljivost energije viri energije neposredna energija Sonca energija vetra energija tekočih voda energija morij geotermalna energija jedrska energija neporabljena energija tehnologije shranjevanja energije modeliranje dinamičnih energetskih sistemov uvajanje novih tehnologij Napredne tehnologije v energetiki 43

44 Neporabljena energija piramida trajnostnega ravnanja z energijo obnovljivi viri energije energijska učinkovitost Neporabljena energija je največji najčistejši in najcenejši vir energije. zmanjšanje porabe energije Napredne tehnologije v energetiki 44

45 Prihodnja preskrba z energijo potrebe po energiji razpoložljivost energije viri energije neposredna energija Sonca energija vetra energija tekočih voda energija morij geotermalna energija jedrska energija neporabljena energija tehnologije shranjevanja energije modeliranje dinamičnih energetskih sistemov uvajanje novih tehnologij Napredne tehnologije v energetiki 45

46 Tehnologije shranjevanja energije energije prehodne mehansko delo električna energija toplota nakopičene potencialna energija notranja energija kemična energija kinetična energija električni naboj tlačna energija Napredne tehnologije v energetiki 46

47 Tehnologije shranjevanja energije dinamičen porabnik energije dinamični viri energije 5.0 poraba električne energije / (kwh) sončno sevanje / (kw/m 2 ) ? = hitrost vetra / (m/s) čas / h čas / h čas / h Napredne tehnologije v energetiki 47

48 Tehnologije shranjevanja energije dinamičen porabnik energije 1,0 1.0 dinamični viri energije 5.0 shranjevanje energije poraba električne energije / (kw) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 sončno sevanje / (kw/m 2 ) = hitrost vetra / (m/s) ,1 0, čas / h čas / h čas / h porabljena električna moč proizvedena = električna moč! Napredne tehnologije v energetiki 48

49 Tehnologije shranjevanja energije črpalno-akumulacijske elektrarne Napredne tehnologije v energetiki 49

50 Tehnologije shranjevanja energije hranilnik notranje energije Napredne tehnologije v energetiki 50

51 Tehnologije shranjevanja energije superkondenzatorji Napredne tehnologije v energetiki 51

52 Tehnologije shranjevanja energije baterije Napredne tehnologije v energetiki 52

53 Tehnologije shranjevanja energije vztrajniki rotor vakuumirano ohišje magnetni ležaji pesto gred motor / generator Napredne tehnologije v energetiki 53

54 Tehnologije shranjevanja energije komprimiran zrak Napredne tehnologije v energetiki 54

55 Tehnologije shranjevanja energije E2G (energy to gas) Napredne tehnologije v energetiki 55

56 Tehnologije shranjevanja energije moč energija Napredne tehnologije v energetiki 56