Novi i obnovljivi izvori električne energije

"Novi izvori električne energije" su izvori koji se kao "novi" pojavljuju u predlogu budućih proizvodnih kapaciteta (bez obzira na tehnologiju), a drugo je da su to izvori na bazi novih tehnologija, koje su tehnološki i finansijski konkurentne. Među njima, posebna pažnja se poklanja obnovljivim izvorima. Novi izvori električne energije su svi oni koji ne pripadaju klasičnim hidroelektranama, kao ni termoelektranama na bazi termodinamičkog ciklusa, dok su obnovljivi svi izvori električne energije na bazi prirodnih procesa koji se konstantno obnavljaju. Zajedničko im je da su to izvori malih pojedinačnih snaga, koji pripadaju klasi prostorno distribuiranih izvora.

Novi i obnovljivi izvori električne energije mogu se podeliti u tri grupe:

1. Izvori čiji se energenti moraju pretvoriti u električnu energiju. To su hidro izvori (uključujući energiju plime i oseke), morski talasi, vetar i fotonaponski solarni izvori.
2. Izvori koji počivaju na energentima višestruke namene, kao što su geotermalni i solarni termički izvori, čija se primarna energija može koristiti i u formi toplotne energije.
3. Izvori čiji se energenti mogu koristiti za višestruke namene, a rezultat su transformacije njihove energije u električnu i/ili toplotnu energiju u sektorima finalne potrošnje energije, kao što su: industrijski otpad, komunalni otpad, biomasa (čvrsta i tečna), biogas itd.

Vetroelektrane

Vetroelektrane preko vetroturbina i električnih generatora pretvaraju kinetičku energiju vetra prvo u mehaničku, a zatim u električnu energiju. Vetroelektrane su danas najpopularniji tip novih i obnovljivih izvora, jer je vetar dostupan i obilan obnovljivi energent, imaju usavršenu tehnologiju, pa već sada igraju značajnu ulogu u proizvodnji električne energije. Proizvodnja vetrogeneratora hemijski ne zagađuje životnu sredinu, ne ostavlja rizičan otpad, niti zahteva velika infrastrukturna ulaganja.

Kinetička energija vetra se pomoću vetroturbine prvo pretvara u mehaničku energiju, a zatim preko električnog generatora (koji može biti jednosmerni, ili naizmenični sinhroni, odnosno asinhroni) u električnu energiju.

Snaga vetroturbine izračunava se preko formule

gde su:

• $\rho_v$ – gustina vazduha ($\approx$ 1,225 kg/m$^3$);
• $A_R$ – površina zahvatanja lopatica rotora;
• $c_p(\lambda, \theta) = \dfrac{P_{WT}}{P_W^0}$ – aerodinamički koeficijent snage, za različite vrednosti ugla zahvatanja rotorskih lopatica ($\theta$);
• $\lambda = \dfrac{R\omega_{WT}}{v_W}$ – odnos obimne brzine rotora turbine poluprečnika $R$ i brzine vetra $v_W$.

Na slici je prikazan tipičan izgled karakteristike aerodinamičkog koeficijenta snage $c_p(\lambda, \theta)$, za različite vrednosti ugla $\theta$.

Konstrukcione karakteristike vetrogeneratora

Konstrukciono se vetrogeneratori (vetroturbina i generator) izvode na stubovima, nekoliko desetina metara (100 do 150 m) iznad tla, kao na Slici. Najčešće su potpuno automatizovani, bez stalne posade i upravljani daljinski.

Kako se potencijal vetra menja sa promenom visine, to se isti modeluje prema nekom poluiskustvenom nelinearnom zakonu i njegov model se uklapa u napred izloženi model vetroturbine. Za promene brzine vetra u radnom opsegu iznad brzine od 4 m/s, brzina vetra na visini $h$ iznad tla, nalazi se iz relacije

gde su:

• $a \approx 0{,}14 - 0{,}18$ – Helmanov eksponent;
• $v_{10}$ – izmerena ili proračunata brzina vetra na visini $h_{10} = 10$ m iznad tla.

Karakteristike performansi vetroelektrana

Kriva brzina vetra-odata snaga je osnovna karakteristika svakog vetroagregata, koja daje odatu snagu u funkciji brzine vetra: $P_{WT} = f(v_W)$. Tipičan izgled ove karakteristike dat je na Slici.

Na Slici se uočavaju četiri karakteristične brzine vetra:

• startna ($v_{in}$) – brzina pri kojoj turbina počinje da odaje snagu $P_{WT} > 0$;
• nazivna ($v_n$) – brzina pri kojoj turbina dostiže svoju nazivnu snagu ($P_{WTn}$);
• najveća startna ($v_{ret}$) – najveća brzina pri kojoj se vetroturbina može staviti u pogon;
• najveća dozvoljena ($v_{out}$) – najveća brzina pri kojoj turbina još može da radi (obično oko 20–25 m/s).

Shodno Slici, neiskoristiv je energetski potencijal pri brzinama vetra $v_W < v_{in}$ i $v_W > v_{out}$, a delimično iskoristiv u opsegu brzina vetra $v_{in} < v_W < v_{out}$ i to na nivou $v_W = v_n$, što se može zapisati kao:

Ekološka ograničenja

Vetroelektrane ne proizvode potpuno čistu električnu energiju. Nema hemijskih zagađenja tla, vode i vazduha, ali ima prigovora da visoki stubovi (na koje se montiraju vetroagregati) vizuelno kvare pejzaž. Takođe, ornitolozi strahuju da mogu da budu uzrok pomora ptica selica, ako im se lokacija nađe na putu njihovih seoba u jesen i proleće. Najozbiljnija zamerka vetroelektranama je da svojim radom podižu nivo buke, zbog čega treba da budu locirane ako je moguće dalje od naselja.

Na Slici je prikazana kriva nivoa buke u funkciji od rastojanja do lokacije vetrogeneratora, za vetroagregat sa trokrakim propelerom.

Vidi se da je nivo buke na samoj lokaciji vetroagregata oko 70 dB, a na rastojanju od 300 m oko 40 dB [6].

Smatra se da je stacionarna vrednost nivoa buke od 30 dB prihvatljiva.

Osnovne šeme priključenja vetrogeneratora na mrežu

Pošto je brzina obrtanja turbine (10–40 ob/min) višestruko manja od uobičajenih brzina obrtanja generatora (1500 i 3000 ob/min), spoj između turbine i generatora izvodi se preko mehaničke spojnice. Savremeni vetrogeneratori su konstrukciono višepolni, niskobrzinski, naizmenični sinhroni, ili asinhroni generatori. Jednosmerni generatori danas se koriste samo za vetrogeneratore malih snaga (reda nekoliko desetina kW). Kada se opreme sa akumulatorskim baterijama za deponovanje električne energije, takvi generatori su pogodni za napajanje manjih, izolovanih potrošača i potrošačkih područja.

Naizmenični generatori mogu raditi sa konstantnom, ili promenljivom brzinom obrtanja.

Na Slici je prikazana opšta blok-šema vetrogeneratorskog postrojenja, priključenog na elektroenergetski sistem.

Osnovne principijelne šeme priključenja na mrežu date su u Tabeli.

Asinhroni generator	Sinhroni generator
a. Direktan priključak generatora na mrežu
$n = (1 - s)F/p$; ${s = 0 \cdots -0{,}08}$Potrošač reaktivne snagea1	$n = F/p$Kontrolabilna reaktivna snagaa2
b. Priključak generatora na mrežu posredstvom AC-DC-AC pretvarača
$n = (0{,}8 - 1{,}2)F/p$Kontrolabilna reaktivna snagab1a	$n = (0{,}5 - 1{,}2)F/p$Kontrolabilna reaktivna snagab1s

Uklapanje vetroelektrana u elektroenergetski sistem

Električna energija koju proizvode vetroelektrane po svojoj prirodi je stohastička i neupravljiva. Iako tehnika savremenih vetrogeneratora predstavlja prilično usavršenu tehnologiju, a osnovni energetski resurs (vetar) jedan od najrasprostranjenijih obnovljivih energenata, vetroelektrane nisu sposobne da samostalno, bez pomoći drugih vrsta izvora (ili akumulatora) električne energije, obezbede permanentno napajanje potrošača. Planiranje proizvodnje vetroelektrana moguće je samo na kratak rok, jer je predviđanje srednje brzine i trajanja vetra praktično nemoguće na dužim vremenskim horizontima. Zato je masovna primena vetroelektrana jedino moguća u elektroenergetskim sistemima gde druge, klasične elektrane (hidro i termo), moraju obezbediti operativnu i regulacionu rezervu, koju vetroelektrane ne mogu da obezbede.

U tom smislu definiše se dozvoljeni stepen penetracije kao količnik raspoložive snage (ili proizvedene energije) angažovanih vetroelektrana i ukupne snage (proizvedene električne energije) svih elektrana sistema, tj. on se može definisati na bazi snage i energije kao

gde su: $(P_{WT})_a = \sum_{i=1}^{N_W} P_{WTi}$; $(P_{gs})_a = \sum_{i=1}^{N} P_{gi}$, a $N_W$ i $N$ broj vetroelektrana i ukupan broj elektrana u elektroenergetskom sistemu.

Smatra se da nije poželjno (ne i nemoguće) da stepen penetracije pređe 10 %.

Farme vetrogeneratora (vetroparkovi) i njihov priključak na elektroenergetsku mrežu

Jedinične snage savremenih vetrogeneratora su relativno male, pa se oni grade za niske nazivne napone (do 1000 V). Sasvim mali generatori, nazivnih snaga reda 100 kW, obično se direktno priključuju na niskonaponsku distributivnu mrežu 400/231 V. Ako se radi o vetrogeneratorima veće snage, kada ih je više, lociranih na bliskom geografskom prostoru, oni se udružuju u farmu vetrogeneratora (vetroparkove), koja se u elektroenergetskom sistemu tretira kao jedinstvena elektrana. Ako je instalisana snaga takvih elektrana između 100 kW i nekoliko MW, priključak se izvodi na srednjenaponsku distributivnu mrežu, nazivnog napona između 10 i 66 kV. Velike farme vetrogeneratora, snaga nekoliko desetina MW, preko odgovarajućih transformatora priključuju se direktno na prenosnu mrežu (čiji je nazivni napon iznad 90 kV). Nacionalnim i međunarodnim propisima reguliše se način priključka vetroelektrana na elektroenergetsku mrežu, koji zavisi od niza tehničkih uslova.

Same konfiguracije tog priključka mogu biti raznovrsne. Kada se radi o direktnom priključku (bez posredstva AC-DC-AC pretvarača), dve osnovne konfiguracije su: radijalna i serijska (videti Sliku).

Solarne termo i fotonaponske elektrane

Korišćenje energije sunca za proizvodnju električne energije može biti dvojako: korišćenjem solarnih koncentratora za proizvodnju vodene pare, koja pokreće parnu turbinu i sinhroni generator (klasična termoelektrana na paru), ili direktnim pretvaranjem solarne u električnu energiju, preko fotonaponskih pretvarača. Taj proces je osnov na kome počivaju solarne fotonaponske elektrane.

Osnov fotonaponskog efekta čini pobuđivanje i pokretanje elektrona, kada neki materijali apsorbuju dovoljno fotona svetlosti određene energije. Osnovna proizvodna jedinica fotonaponskog sistema je modul, koji se sastoji od tankog sloja fotoosetljivog poluprovodničkog materijala, sa čije obe strane su navučeni slojevi elektroprovodnog materijala. Stepen korisnog dejstva savremenih fotonaponskih modula je prilično nizak, odnosno 12–15 %.

U našim klimatskim uslovima (geografska širina oko 45° N), maksimalan intenzitet sunčevog zračenja je oko 1100 W/m$^2$ (u julu). To su, sa gledišta komercijalne proizvodnje male vrednosti, posebno što bi se za veće fotonaponske elektrane, reda nekoliko desetina MW, zahtevale velike površine modula. Zato se smatra da u sadašnjem trenutku primena fotonaponskih sunčevih elektrana ima izgleda u kombinaciji sa velikim stambenim, komercijalnim i industrijskim kompleksima, gde mogu zadovoljiti deo potreba pojedinih potrošača tokom godine. Isto tako mogu se koristiti i na udaljenim lokacijama, kao što su usamljene farme, relejne stanice televizijskih i telekomunikacionih sistema, planinarski domovi itd., gde bi priključak na javnu elektroenergetsku mrežu bio skup.

Ukupna solarna energija, koja dolazi na fotonaponski modul, sastoji se od direktne i difuzne komponente. Po sunčanom danu prva komponenta čini 80–90 %, a druga 10–20 %, koliko je i ukupno zračenje oblačnih dana. Na Slici su prikazane tipične krive ukupnog sunčevog zračenja vedrog dana, na ravnu površinu na geografskoj širini od 48° N, u tri specifična meseca. Vide se znatne razlike sunčevog zračenja, koja su u tipičnom zimskom danu oko 6,5 puta manja nego u letnjem.

Tipična naponsko-strujna karakteristika fotonaponskog modula prikazana je na Slici, za tri vrednosti specifične snage sunčevog zračenja. Maksimalna snaga modula ima se ako je radna tačka u blizini kolena V-I karakteristike. Treba napomenuti da izlazni napon opada sa porastom temperature, tako da je položaj tačke maksimalne izlazne snage promenljiv.

U opštem slučaju, fotonaponski generatori su sastavljeni od nekoliko standardnih modula, prikazanih na Slici, povezanih u $N_{sg} \times N_{pg}$ serijsko-rednih konfiguracija, gde su $N_{sg}$ i $N_{pg}$ ukupni brojevi serijskih i rednih modula, respektivno.

Strujno-naponska karakteristika fotonaponskog generatora je:

gde su $I_g$ ($V_g$) i $I_m$ ($V_m$) struje (naponi) ukupnog fotonaponskog generatora ili pojedinačnog modula, respektivno.

Fotonaponski generator se može opisati sledećim matematičkim modelom, koji daje vezu između struje ($I_g$) i napona ($V_g$) na njegovim krajevima, koji u stvari predstavlja transcendentnu jednačinu

gde se redna otpornost fotonaponskog generatora ($R_{sg}$) i faktor popune ($FF_{0m}$) idealnog PV modula izračunavaju kao:

gde su:

• $v_{oc} = \dfrac{V_{ocm}}{nN_sV_T}$ – normalizovani napon praznog hoda;
• $V_T = \dfrac{k(T_m + 273^\circ)}{q}$ – termalni potencijal;
• $I_{scm}$, $V_{ocm}$ – struja kratkog spoja i napon praznog hoda, respektivno;
• $N_s$ – broj serijski povezanih ćelija u modulu;
• $k$ – Boltzmannova konstanta ($k = 1{,}380622 \times 10^{-23}$ J/K);
• $T_m$ – temperatura modula [°C];
• $P_{Mm}$ – maksimalna snaga modula [W];
• $q$ – količina električnog naelektrisanja ($q = 1{,}60 \times 10^{-19}$ C);
• $n$ – koeficijent diode (za idealne diode je $n = 1$).

Vrednosti $I_{scm}$ i $V_{ocm}$ su po pravilu proizvođački podaci dati pod standardnim test uslovima (solarna radijacija $\Re^{stc}$ = 1000 W/m$^2$ i temperatura modula $T_m^{stc}$ = 25 °C). Ako fotonaponski generator nije pod standardnim uslovima, onda se vrši određena korekcija vrednosti struje kratkog spoja i napona praznog hoda.

Izlazna snaga fotonaponskog modula ($P_m^{DC}$) dobija se jednostavno množenjem izlazne struje ($I_m$) i napona na njegovim krajevima ($V_m$).

Može se pretpostaviti da je model invertora sličan modelu idealnog strujnog izvora, sa nultom DC komponentom i nultom ukupnom harmonijskom distorzijom izlaznog napona. Pod tim pretpostavkama, izlazna snaga iz DC/AC invertora je

gde većina komercijalnih invertora imaju efikasnost ($\eta$) između 90 i 96 %.

Tehnički problemi korišćenja vetrogeneratora i fotonaponskih izvora i planovi za budućnost

Dva napred opisana perspektivna tipa obnovljivih izvora električne energije (na bazi vetra i sunca) spadaju u kategoriju distribuiranih izvora, relativno male jedinične snage. Mogu se bazirati na kogeneraciji sa drugim formama energije (na primer, toplotna energija), ili na korišćenju obnovljivih izvora energije (na bazi sunca, vetra, morskih talasa, geotermalnih izvora itd.). Pojam "distribuiran" ne znači da takvi izvori električne energije nisu vezani na elektroenergetski sistem. Njihovo uklapanje u elektroenergetski sistem ići će u principu preko distributivne mreže. Pošto fotonaponski generatori proizvode električnu energiju na jednosmernom naponu, uklapanje u distributivnu mrežu naizmeničnog napona učestanosti 50 Hz mora ići preko invertora DC/AC.

Vetrogeneratori proizvode električnu energiju naizmeničnog napona, stalne ili promenljive učestanosti. Ako im je učestanost promenljiva, na distributivnu mrežu naizmeničnog napona 50 Hz moraju se priključiti posredstvom kaskadne sprege ispravljača AC/DC i invertora DC/AC. Za vetrogeneratore se koriste sinhrone i asinhrone mašine. Sinhroni generatori su okarakterisani sopstvenim sistemom pobude i rade sa promenljivom, ili konstantnom brzinom, dok asinhroni generatori uzimaju energiju pobude iz mreže i rade sa približno konstantnom brzinom obrtanja (koja zavisi od klizanja). Konstrukciono, asinhroni generatori su mnogo jednostavniji (i relativno jeftiniji) od sinhronih. Međutim, pošto nemaju sopstvenu pobudu, mogu raditi samo u paralelnom (sinhronom) pogonu sa mrežom naizmeničnog napona, koja ih snabdeva strujom magnećenja. S druge strane, pošto imaju sopstvene sisteme pobude, sinhroni generatori mogu raditi kako u paralelnom pogonu sa javnom distributivnom mrežom, tako i izolovano, napajajući sopstvene potrošače u ostrvskom pogonu.

U energetskom smislu, i fotonaponski i vetrogeneratori se koriste za popunjavanje baznog dela površine ispod dijagrama opterećenja. Zbog male snage, najčešće ulaze samo u energetske bilanse lokalne (regionalne) potrošnje.

Zajedničko im je da se u slučaju dominantnog učešća u pokrivanju potreba nekog elektroenergetskog sistema, mora predvideti puna rezerva. Sve dok im je učešće u pokrivanju potreba sistema relativno malo, tu rezervu obično pokrivaju drugi tipovi raspoloživih elektrana.

Brzina sa kojom tehnologija ovakvih izvora napreduje određena je brzinom smanjenja njihovih troškova proizvodnje. Napredak u tom pogledu je kontinualan.

Može se konstatovati da će u razvijenim zemljama, kratkoročno, ovi obnovljivi izvori u doglednom vremenu ostati na malom udelu u ukupnom snabdevanju električnom energijom i češće će se koristiti kao dopuna, a ređe kao zamena električne energije proizvedene u klasičnim termoelektranama na fosilna goriva i nuklearnim termoelektranama.

Što se budućih planova tiče, Evropska Unija planira da u njenih 27 članica do 2020. godine udeo obnovljivih izvora električne energije bude najmanje 20 %, dok učešće istih u proizvodnji električne energije treba da bude oko 16 % od ukupno planirane proizvodnje, sa instalisanom snagom od oko 180000 MW. Planovi SAD do 2011. godine su novih 33050 MW, dok Kina i Indija predviđaju porast instalisane snage u vetroelektranama do 2015. godine od 41000 MW.