OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE: STANJE I PERSPEKTIVE

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU Fakultet elektrotehnike i računarstva Zavod za automatiku i računalno inženjerstvo Unska 3, Zagreb, Hrvatska OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE: STANJE I PERSPEKTIVE Prof. dr. sc. Nedjeljko Perić, Izv. prof. dr. sc. Mario Vašak

Sadržaj 2 Električna energija i obnovljivi izvori Tehnologije korištenja obnovljivih izvora: Fotonaponske elektrane Vjetroagregati i vjetroelektrane Energetski izazovi i elektroenergetski sustav Laboratorij za obnovljive izvore energije na FER-u

3 Električna energija i obnovljivi izvori

Prognoza potrošnje energije i njeni izvori 4 Još neotkrivena energija Energija oceana i geotermalna Energija Sunca Nova biomasa Energija vjetra Energija vode Tradicionalna biomasa Nuklearna energija Plin Nafta Ugljen

Prognoza korištenja energije i izvori do 2100. 5 Drugi izvori Godišnja potrošnja primarne energije [Exajouli] Zagrijavanje suncem Sunce (fotonapon i toplina) Vjetar Biomasa Voda Nuklearna Plin Ugljen Nafta Izvor: Dr. Jochen Ackermann - Project House Functional Films & Surfaces, 2009.

Energetska politika EU: 20-20-20 do 2020. 6-20% -20% 100% +20% 8,5% Smanjenje stakleničkih plinova Potrošnja energije Korištenje obnovljivih izvora Izvor: EWEC, 2009.

Stanje u sektorima obnovljivih izvora energije 2011. (1)

Instalirana snaga novih izvora u 2008. [MW] 22 MW Ukupno: 23.851 MW Vjetar Plin Fotonapon Nafta Ugljen Voda Biomasa Ostalo* Nuklearni * geotermalni, treset i otpad Izvor: EWEA, 2009.

O obnovljivim izvorima: vjetar, sunce, biomasa 23 Očekivanja doprinos povećanju proizvodnje energije doprinos povećanju sigurnosti opskrbe i doprinos stabilizaciji klime ali i inovacije i na njima zasnovani gospodarski rast nova radna mjesta Obnovljivi izvori 2010. zapošljavali su direktno 3.5 mil. ljudi 2010. investirano 226 mlrd. USD (bez velikih HE) 2030. očekuje se direktno uposlenje 37 mil. ljudi

Planovi izgradnje elektrana s obnovljivim izvorima u Hrvatskoj do 2020. (2030.) 24 UKUPNO DO 2020. (ODNOSNO 2030.): 1545 MW (odnosno 3000 MW) 1200 MW u vjetroelektranama (2060 MW do 2030.) 140 MW u elektranama na biomasu (420 MW do 2030.) 20 MW u geotermalnim elektranama (30 MW do 2020.) 45 MW u fotonaponskim elektranama (250 MW do 2030.) 100 MW u malim hidroelektranama (140 MW do 2030.) PROCJENA UKUPNIH INVESTICIJA DO 2020. iznosi oko 3 mlrd. ili oko 6000 radnih mjesta. Izvor: Obnovljivi izvori u javnom sektoru, Zagreb, 2009.

Fotonaponske elektrane 25

Izgrađeni i planirani kapaciteti proizvodnje fotonaponskih članaka 26 Ostatak svijeta SAD Tajvan Kina Europa Japan Proizvodnja 2008 Planirano 2008 Planirano 2009 Planirano 2010 Planirano 2012 Planirano 2015 Izvor: EC-JRC-PV Status Report 2009

Stanje u Europi i Hrvatskoj 27 Ukupno instalirano [MW] Izvor: EC-JRC-PV Status Report 2009

O industriji fotonaponskih članaka 28 2008. proizvedeno je 7-8 GWp Prosječni godišnji rast tržišta iznosi 40% 2010. vrijednost poslova iznosi 40 mlrd. i zaposleno je oko 1 milijun ljudi 2009. u Hrvatskoj zaposleno je oko 220 ljudi (Solaris, Novigrad; Solvis, Varaždin; Solarne ćelije, Split)

Istraživanja i razvoj fotonaponskih tehnologija u EU 29 Europska unija u razdoblju 1994.-2006. uložila je u istraživanje i razvoj fotonaponskih članaka 312 mil. Ciljevi daljnjih istraživanja: povećanje efikasnosti pretvorbe primjenom novih tehnologija (nanotehnologija, koncentratori, termoelektrična pretvorba, ) smanjenje cijene koštanja uklanjanje barijera širenju primjene bolja integracija fotonaponskih elektrana u EE sustav skladištenje energije

Vjetroagregati i vjetroelektrane 30

Instalirana snaga vjetroagregata u pojedinim zemljama Europe na kraju 2008. 31 Ukupno instalirana snaga MW EU-27...64.935 Europa..65.933 Hrvatska 18 Izvor: EWEA, Wd, 3/2009

Povijesni razvoj veličine vjetroagregata i predviđanja daljnjeg razvoja 32 300m Prošlost i sadašnjost vjetroagregata Budućnost vjetroagregata? 250m 150m 178m 112m 124m 126m 7.5 MW 10 i 20 MW 50m 2000 2005 2010 2015 2020 40m 1995 1990 1985 20m 15m 1980 Izvor: EWEA, 2008.

Vjetroagregat KO-VA 57/1 33

Procjena zaposlenosti u EU u periodu 2007. 2030. na području korištenja energije vjetra 34 Broj zaposlenih 400.000 300.000 Elektrane na moru 200.000 100.000 Elektrane na kopnu 0 2007. 2010. 2015. 2020. 2025. 2030. Izvor: Wind at work, EWEA, 2008.

35 Energetski izazovi i elektroenergetski sustav

O energiji u svijetu 36 Izazovi veliki rast potreba za energijom sigurnost opskrbe energijom utjecaj na okoliš i klimatske promjene Prilika za industriju za dva puta veću svjetsku potrošnju energije koja se očekuje 2030. potrebno je investirati oko 10.000 mlrd. samo u korištenje energije vjetra očekuju se do 2020. investicije od 80 mlrd. /godišnje

Obnovljiva energija u energetskom sustavu Agregati neobnovljivih izvora energije Energija vjetra Dozračena energija Sunca Energija vodenih masa Agregati obnovljivih izvora energije Distribucija i potrošnja energije Pohrana energije

Tehnički izazovi obnovljive energetike Agregati ne-oie OIE Agregati OIE Potrošnja Predviđanje Efikasna pretvorba Integracija u energetski sustav Pohrana energije Racionalno korištenje energije Pohrana

Napredne energetske mreže (SmartGrids) 39 Definicija: SmartGrid je električna mreža koja može inteligentno integrirati aktivnosti svih korisnika mreže proizvođača, potrošača i posrednika kako bi se na učinkovit način osigurala održiva, ekonomski povoljna i sigurna opskrba el. energijom Cilj: Upotreba inovativnih proizvoda i servisa zajedno s inteligentnim nadzorom, upravljanjem, komunikacijom i samooporavkom mreže u svrhu omogućavanja: Lakšeg priključenja i rada generatora svih veličina i tehnologija Sudjelovanja potrošača u optimizaciji rada sustava Bolje informiranosti potrošača i više mogućnosti za odabir opskrbljivača Značajnog smanjenja utjecaja na okoliš cijelog EESa Većeg stupnja pouzdanosti sustava i sigurnosti opskrbe

Napredne energetske mreže

Održivost EES 41 Obnovljivi izvori energije dugoročni politički cilj Ograničeni izvori fosilnih goriva Smanjenje emisije CO 2 izgaranjem fosilnih goriva Preferirani obnovljivi izvori energije Energija vjetra Energija sunca

Integracija obnovljivih izvora energije u EES 42 Pitanje stabilnost EES-a, lokalna preopterećenja mreže (prorada zaštita, ispad dijela ili čitavog EES-a) Regulacijske elektrane (hidro i termo) mogu li u ovim okolnostima obaviti svoju zadaću? Naglašena potreba za pohranom energije Pohranljivi sekundarni energetski nositelji: Vodikova tehnologija proizvodnja H 2 elektrolizom Procesiranje emisije CO 2 izgaranjem fosilnih goriva u termoelektranama proizvodnjom regenerativnog vodika

Vjetroelektrane kao poremećaj u EES-u 43 Opterećenje mreže (Potrošnja) P L P W Snaga vjetroelektrana (Poremećajna veličina) + - + P G Planirana proizvodnja (na temelju modela potrošnje i prognozi vjetra) ω ref = 0 + - Regulator frekvencije Regulacijska elektrana P reg + + Mreža ω P G + P reg + P W P L 0

EES sa skladištem vodika 44 Sunce Solarna elektrana Posebni el. vod H 2 spremnik Vjetar H 2 Vjetroelektrana H 2 O O 2 Elektrolizator Promjenljiva snaga H 2 O 2 Vozila (BC/ICE) H 2 O Voda Nafta Hidroelektrana Vozila (ICE) Emisije CO 2, NO x Zemni plin Plinska elektrana CO 2 sekvestracija (zapljena) Elektro (hibridna) vozila Smanjene emisije Ugljen Termoelektrana na ugljen CO 2 CO 2 deponij Uran Nuklearna elektrana Nuklearni deponij Planirana snaga EES (mreža) Spremnik komprimiranog zraka Potrošači el. energije

Smanjenje CO 2 pomoću regenerativnog vodika 45 Imitacija prirode - mogući put za održivu opskrbu električnom energijom Sunce Solarna elektrana Posebni el. vod H 2 spremnik Tehnička fotosinteza Vjetar Vjetroelektrana H 2 O O 2 Elektrolizator O 2 Promjenljiva H 2 Hidrogeneracija snaga C x H y Biomasa Voda Hidroelektrana Opcija Plinofikacija Biodizeli... Sintetičko gorivo Zemni plin Plinska elektrana O 2 CO 2 sekvestracija CO 2 CO 2 deponij Spremnik CO 2 Ugljen Termoelektrana na ugljen O 2 CO 2 CO 2 sekvestracija Ugljikov kružni ciklus Spremnik komprimiranog zraka Planirana snaga EES (mreža) Potrošači el. energije

Vjetroelektrane kao dio EES-a 46 Udio energije vjetra u EES-u stalno se povećava (do 2020. godine zahtijeva se da 12% ukupne električne energije bude proizvedeno iz vjetra, EU) Rastu zahtjevi na vjetroelektrane: Kvaliteta energije Otpornost na smetnje Sudjelovanje u regulaciji napona i frekvencije... Dovodi do potrebe za vrlo sofisticiranim sustavom upravljanja vjetroagregata i vjetroelektrane

Upravljanje vjetroelektranom 47 Referentna snaga SUSTAV UPRAVLJANJA EESom HIDROELEKTRANE UKUPNA POTROŠNJA Trenutna i predviđena snaga TERMOELEKTRANE NUKLEARNE ELEKTRENE VJETROELEKTRANE SUSTAV UPRAVLJANJA VJETROELEKTRANE Reference snage za pojedine vjetroagregate Stanja pojedinih vjetroagregata

Upravljanje vjetroelektranom Optimiranje razdiobe snage po agregatima (FP7 projekt-aeolus) 48 SUSTAV UPRAVLJANJA VJETROELEKTRANE Mjerena brzina vrtnje, brzina vjetra, kut zakreta, temperature... Stanje sustava Broj vjetroagregata Model vjetroagregata Model vjetra Predikcija stanja Ref. snaga za svaki vjetroagregat

49 Laboratorij za obnovljive izvore energije na FER-u

Laboratorij za obnovljive izvore energije - LARES 50 Cilj Izgraditi laboratorij (centar) za istraživanje obnovljivih izvora energije zasnovanih na energiji vjetra, vodikovoj energiji i korištenju sunčeve energije u proizvodnji električne energije. Svrha Istraživanje obnovljivih izvora energije, edukacija novih visokokvalificiranih kadrova te stvaranja regionalnog centra izvrsnosti za obnovljive izvore energije.

Infrastruktura laboratorija 51 I. Faza (2009.): vjetroagregat s vjetrokomorom elektrolizator agregat zasnovan na gorivnim člancima II. Faza (2012., financije osigurane kroz sredstva EU): Fotonaposnki pretvornici smješteni na krovu zgrade FER-a Mikromreža fotonapon-vjetar-vodik-baterije s energetskim pretvaračima i dvosmjernom vezom prema FER niskonaponskoj mreži Laboratorij je smješten na vrhu FER nebodera (13. kat)

Osnovne komponente laboratorija 52 Vjetroagregat snage 300 W Elektrolizator snage 500 W Gorivni članak snage 500 W Fotonaponski pretvornici snage 20 kw (smješteni na krovu zgrade) Ventilator za pogon vjetroagregata snage 11 kw

Načelna struktura laboratorijskog postrojenja 53 PRETVARAČ FREKVENCIJE MJERENJE BRZINE I SMJERA VJETRA SERVO MOTORI ZA ZAKRETANJE LOPATICA VENTILATOR PRETVARAČ FREKVENCIJE MREŽA GENERATOR ZRAČNA KOMORA ZAKLOPKE SOLARNA PLOČA TORANJ MJERENJE BRZINE ZRAKA ELEKTROLIZATOR H 2 ZRAK Katoda SLOG GORIVNIH ČLANAKA DC Napon DC/DC Pretvarač DC/AC Pretvarač DC Napon DC/DC Pretvarač Anoda DC Napon METAL HIDRIDNI SPREMNIK METAL HIDRIDNI SPREMNIK Toplina