Laboratorij za termoenergetiko Napredne tehnologije v energetiki Prihodnja preskrba z energijo
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
Poraba energije 500.000 pnš 100.000 pnš 3000 pnš 1400 1880 2000+ Napredne tehnologije v energetiki 3
letna poraba energije / 10 18 J Poraba energije 500 450 400 eksponentna rast s stopnjo 1,5 % 350 300 250 200 150 100 50 0 1800 1850 1900 1950 2000 leto jedrska energija vodna energija zemeljski plin nafta premog biomasa vir: https://www,e-education,psu,edu/earth104/node/1347 Napredne tehnologije v energetiki 4
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
Eksponentna rast letna stopnja rasti porabe razpoložljivost virov v letih 0 % 10,0 30 100 300 1000 3000 10,000 1 % 9,5 26 69 139 240 343 462 2 % 9,1 24 55 97 152 206 265 3 % 8,7 21 46 77 115 150 190 4 % 8,4 20 40 64 93 120 150 5 % 8,1 18 36 56 79 100 124 6 % 7,8 17 32 49 69 87 107 7 % 7,6 16 30 44 61 77 94 8 % 7,3 15 28 40 55 69 84 9 % 7,1 15 26 37 50 62 76 10 % 6,9 14 24 34 46 57 69 vir: Al Bartlett, Forgotten Fundamentals of the Energy Crisis Napredne tehnologije v energetiki 6
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
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
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 1 2 1 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 2 2 2 cos δ sinβ sinγ sinω Napredne tehnologije v energetiki 9
gostota sončnega sevanja / (kw/m 2 ) Razpoložljivost virov - Sonce 1.4 tedenski profil sončnega sevanja teoretični dejanski 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 24 48 72 96 120 144 168 čas / h Napredne tehnologije v energetiki 10
Razpoložljivost virov - veter tedenski profil hitrosti vetra letni profil pretoka vode v m 3 /s Drava Sava http://meteo.arso.gov.si/met/sl/climate/tables/test_ref_year/ http://vode.arso.gov.si/hidarhiv/pov_arhiv_tab.php Napredne tehnologije v energetiki 11
Razpoložljivost virov - plimovanje dnevni potek plimovanja mesečni potek plimovanja http://www.tides.net/england/5056/?year=2016&month=09 Napredne tehnologije v energetiki 12
Razpoložljivost virov - plimovanje mesečni potek plimovanja plimovanje mlaj prvi krajec ščip zadnji krajec http://www.tides.net/england/5056/?year=2016&month=09 Napredne tehnologije v energetiki 13
proizvodnja električne energije / MW Poraba energije profil proizvodnje električne energije slovenskih elektrarn 2500 2000 pravilo stabilnega delovanja elektroenergetskega sistema: 1500 porabljen energijski tok = proizveden energijski tok 1000 dw P dt 500 0 0 24 48 72 96 120 144 168 čas / h Napredne tehnologije v energetiki 14
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 0 1 25 49 73 97 121 145 čas / h Napredne tehnologije v energetiki 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 0 1 25 49 73 97 121 145 čas / h Napredne tehnologije v energetiki 16
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
Sončno sevanje - toplota Napredne tehnologije v energetiki 18
Sončno sevanje - elektrika Napredne tehnologije v energetiki 19
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
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
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
Sončno sevanje velika količina energije (skupno 3.850.000 EJ, tehnično možno izkoristiti do 50.000 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
Eksponentna rast razpoložljiva energija sonca: do 50.000 EJ/leto pridobljena energija: do 10.000 EJ/leto trenutna poraba energije: 550 EJ letna stopnja rasti porabe letna poraba energije 0 10 20 50 100 200 500 0 % 550 550 550 550 550 550 550 1 % 550 608 671 905 1488 4024 79625 2 % 550 670 817 1480 3985 28867 ****** 3 % 550 739 993 2411 10570 203146 ****** 4 % 550 814 1205 3909 27778 ****** ****** 5 % 550 896 1459 6307 72326 ****** ****** Je Sonce neskončen vir energije? Napredne tehnologije v energetiki 24
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
Energija vetra Napredne tehnologije v energetiki 26
Energija vetra tokovnice zraka pred in za vetrnico 2.0 energija vetra (kinetična): 1.5 1.0 Pmax v3 A1 ρ 0 2 0.5 0.0-0.5-1.0 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 0.6 0.5 izkoristek v0-1.5 presek vetrnice v1 = 0 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 razmerje hitrosti za in pred rotorjem Napredne tehnologije v energetiki 27
Energija vetra Napredne tehnologije v energetiki 28
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
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
Energija tekočih voda P ηm gδh Napredne tehnologije v energetiki 31
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
Energija morij - plimovanje vir: https://www.ice.org.uk/eventarchive/swansea-tidal-lagoon vir: http://www.alternative-energy-news.info/seagen-tidal-power-installation/ P ηm gδh (hidroelektrarne) P η A ρ (vetrnice) v 3 0 2 Napredne tehnologije v energetiki 33
Energija morij - valovanje vir: https://en.wikipedia.org/wiki/wave_power P ηf Δx 1 2 4 val plovec nihanje hidravlični spoji valovi gibanje vode turbina in generator črpalka in generator tok zraka vir: http://www.alternative-energy-tutorials.com/wave-energy/wave-energy-devices.html Napredne tehnologije v energetiki 34
Valovanje vir: https://en.wikipedia.org/wiki/wave_power smer valov P ηf Δx 3 5 6 veslo rezervoar hidravlična črpalka hidravlični motor generator plavajoča struktura preliv tok vode vodna turbina visok hidrostat. tlak nizek hidrostat. tlak vir: http://en.openei.org/wiki/marine_and_hydrokinetic_technology_glossary Napredne tehnologije v energetiki 35
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
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
Geotermalna energija P m Δh P m cp ΔT vir: Geothermal Energy Association, http://geo-energy.org/basics.aspx Napredne tehnologije v energetiki 38
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
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
povprečna vezna energija / MeV Jedrska energija fuzija fizija atomska masa E mc 2 de P η dt Napredne tehnologije v energetiki 41
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
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
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
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
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
Tehnologije shranjevanja energije dinamičen porabnik energije 1.0 1.0 dinamični viri energije 5.0 poraba električne energije / (kwh) 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 sončno sevanje / (kw/m 2 ) 0.9 4.5 0.8? = + 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 1.0 hitrost vetra / (m/s) 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 0.1 0.0 0 24 48 72 96 120 144 168 čas / h 0.1 0.0 0 24 48 72 96 120 144 168 čas / h 0.5 0.0 0 24 48 72 96 120 144 168 čas / h Napredne tehnologije v energetiki 47
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 ) 0.9 4.5 0.8 = + 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 1.0 hitrost vetra / (m/s) 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 + 0,1 0,0 0 24 48 72 96 120 144 168 čas / h 0.1 0.0 0 24 48 72 96 120 144 168 čas / h 0.5 0.0 0 24 48 72 96 120 144 168 čas / h porabljena električna moč proizvedena = električna moč! Napredne tehnologije v energetiki 48
Tehnologije shranjevanja energije črpalno-akumulacijske elektrarne Napredne tehnologije v energetiki 49
Tehnologije shranjevanja energije hranilnik notranje energije Napredne tehnologije v energetiki 50
Tehnologije shranjevanja energije superkondenzatorji Napredne tehnologije v energetiki 51
Tehnologije shranjevanja energije baterije Napredne tehnologije v energetiki 52
Tehnologije shranjevanja energije vztrajniki rotor vakuumirano ohišje magnetni ležaji pesto gred motor / generator Napredne tehnologije v energetiki 53
Tehnologije shranjevanja energije komprimiran zrak Napredne tehnologije v energetiki 54
Tehnologije shranjevanja energije E2G (energy to gas) Napredne tehnologije v energetiki 55
Tehnologije shranjevanja energije moč energija Napredne tehnologije v energetiki 56