Transcript Predavanje 2011_01_PRS Str

Sveučilišni diplomski studij elektrotehnike
POGONSKI I RADNI STROJEVI
Uvodno predavanje
2011.
1
Sva energija koju danas koristimo izvorno potječe od energije dozračene sa Sunca i
pohranjene na Zemlji
2
Svijet
SAD
36.4 %
33.5 %
18.6 %
1.3 %
27.1 %
5.5 %
5.9 %
26.8 %
22.9 %
11.6 %
6.4 %
4.1 %
Nafta: 52555 TWh
Ugljen: 39111 TWh
Plin: 33000 TWh
Hidroelektrane: 9167 TWh
Nuklearne elektrane: 8556 TWh
Obnovljivi izvori: 1833 TWh
Nafta: 4033 TWh
Ugljen: 7272 TWh
Plin: 5806 TWh
Hidroelektrane: 886 TWh
Nuklearne elektrane: 2506 TWh
Obnovljivi izvori: 1192 TWh
Ukupno: 144222 TWh
Ukupno: 21695 TWh
Potrošnja energije po izvorima a) u svijetu i b) u SAD tijekom 2006. godine
3
Svijet
SAD
78.9 %
86.4 %
Nafta: 52555 TWh
Ugljen: 39111 TWh
Plin: 33000 TWh
Hidroelektrane: 9167 TWh
Nuklearne elektrane: 8556 TWh
Obnovljivi izvori: 1833 TWh
Nafta: 4033 TWh
Ugljen: 7272 TWh
Plin: 5806 TWh
Hidroelektrane: 886 TWh
Nuklearne elektrane: 2506 TWh
Obnovljivi izvori: 1192 TWh
Ukupno: 144222 TWh
Ukupno: 21695 TWh
Udio fosilnih goriva kao izvora energije tijekom 2006. godine
4
Najveći dio proizvodnje energije koju danas koristi čovječanstvo potječe od izgaranja
fosilnih goriva čime dobivamo toplinu koju primjenom termodinamičkih procesa
pretvaramo u druge korisne oblike energije, najčešće u električnu energiju.
5
Proizvodnja i industrijska djelatnost predstavlja jedan od značajnijih potrošača energije koja
se ugrađuje u novostvorene proizvode. Primjer željezara u Kini.
6
Sljedeći veliki potrošač energije su prijevoz roba i ljudi
7
1.800.000
UGLJEN
1.600.000
1.400.000
1.200.000
TWh
1.000.000
800.000
600.000
400.000
200.000
0
Azija i
Pacifik
Europa i
Azija
Sjeverna
Amerika
Afrika
Latinska
Amerika
Srednji
Istok
Svjetske poznate rezerve ugljena, stanje 2009. godine
8
1.500.000
NAFTA
1.200.000
TWh
900.000
600.000
300.000
0
Srednji
Istok
Europa i
Azija
Afrika
Latinska
Amerika
Sjeverna
Amerika
Azija i
Pacifik
Svjetske poznate rezerve sirove nafte, stanje 2009. godine
9
900.000
PRIRODNI
PLIN
800.000
700.000
600.000
TWh
500.000
400.000
300.000
200.000
100.000
0
Srednji
Istok
Europa i
Azija
Afrika
Azija i
Pacifik
Sjeverna
Amerika
Latinska
Amerika
Svjetske poznate rezerve prirodnog plina, stanje 2009. godine
10
Po glavi
stanovn
Kina
SAD
Rusija
Indija
Japan
Njemačka
Kanada
V. Britanija
Iran
Južna Koreja
Italija
Meksiko
Australija
Saudijska Arabija
Indonezija
Francuska
Brazil
Emisija stakleničkog plina CO2 tijekom 2008. godine
Izvor IEA
Ukupne emisije u 106 t/god, emisija po stanovniku u t/god
11
Udio antropogenih emisija CO2 u ukupnoj godišnjoj emisiji sa Zemljine površine u
atmosferu je manji od 4%. Najveći dio emisija potječe iz oceana, požara i vulkanske
djelatnosti. Koncentracija CO2 se dokazano mijenja periodički u Zemljinoj atmosferi s
periodima između 100.000 i 150.000 godina.
12
Prema analizama meteorologa i geologa, antropogeni utjecaj na Zemljinu klimu je premalen
da bi se samo tome smio pripisivati utjecaj na okoliš i klimatske promjene na Zemlji. Mnogo
je veći utjecaj drugih procesa, kao što su promjene Sunčeve aktivnosti i Zemljine aktivnosti.
Ljudi kao svjesna bića moraju svejedno nastojati da svoj utjecaj na prirodu smanje, kako bi
se za buduće generacije sačuvao zdravi okoliš. Stoga nastojimo da i u tehnici razvijamo
energijske procese koji će biti prihvatljivi u smislu održivog razvoja. U svemu tome veliku
ulogu ima i termodinamika.
13
IZVORI I POTROŠNJA
ENERGIJE U SVIJETU
14
Primarna energija
15
Svjetska potrošnja primarnih energija po vrstama
Tona ekvivalenta nafte: 1 T.e.n. = 42.5 GJ = 11.8 MWh
Ekvivalent energije u milijunima tona nafte (106 T.e.n.)
Nafta
Prirodni plin
Nuklearna energ.
Hidroenergija
Ugljen
Globalna potrošnja primarne energije zabilježila je najveći rast od 4.3% godišnje
posljednjih 10 godina za sva područja i za sve vrste goriva.
16
Struktura potrošnje primarnih energija po regijama
Postotak
Sjeverna
Amerika
J. i C. Amerika
Europa i
EurAzija
Srednji Istok
Afrika
Azija i Pacifik
Nafta ostaje najveći pojedinačni izvor energije u nejvećem broju dijelova svijeta.
Izuzetak od toga su zemlje bivšega Sovjetsog Saveza, gdje dominira prirodni plin, te
Azija i Pacifik gdje je dominantni izvor energije ugljen
17
Specifična potrošnja primarnih energija po regijama
Tona ekvivalentne nafte (T.e.n.)
T.e.n. po glavi stanovnika
18
Potrošnja primarnih energija u svijetu
Potrošnja energije u exa J
1 exa J = 1018 J = 1012 MJ = 277.8·106 MWh
5%
12%
19%
23%
Obnovljiva
Nuklearna
41%
Ugljen
Plin
Nafta
Godine
19
Ukupna finalna energija, exa J
Ukupna potrošnja finalnih oblika energije, zemlje IEA
Nafta
Plin
El. energija
Ugljen
Biomasa
Centralno grijanje
El. energija 20%
El. energija 12%
Biomasa 3%
Ugljen 8%
Plin 19%
Nafta 58%
Centralno gr. 1%
Biomasa 3%
Ugljen 3%
Nafta 53%
Plin 20%
20
Promjena cijene fosilnih goriva US$/t
Cijena fosilnih goriva u US$(2000)/t.e.n.
Plin - Pacifik
Nafta
Plin - Europa
Plin - Sj.
Amerika
Para na ugljen
21
Potrošnja goriva u usporedbi s GDP-om
Potrošnja goriva u MJ/US$(GDP)
22
Potrošnja energije za grijanje u domaćinstvu
Potrošnja energije, exa J / god.
Biomasa
Centr. grijanje
El. energija
Plin
Ugljen
Nafta
23
Ostvarena ušteda energije po područjima potrošnje
Udio u ukupnoj uštedi
Ostala proizvodnja 14%
Grijanje 19%
Primarna metalna
ind. 13%
Primjene 3%
Domaćinstva 1%
Osobna vozila 8%
Industrija
nemetala 4%
Zračni prijevoz 6%
Kemijska industrija 9%
Teretna vozila 1%
Ostali prijevoz tereta 2%
Papir i celuloza 2%
Uslužne djelatnosti 18%
Prijevoz tereta
Prijevoz putnika
Domaćinstva
Uslužne djelatnosti
Proizvodnja
24
Potrošnja energije po načinima prijevoza putnika
Potrošnja energije, exa J / god.
Vodom
Zrakom
Željeznicom
Autobusi
Osobna vozila
25
Specifična potrošnja energije po načinima prijevoza putnika
Potrošnja energije, MJ/(putnik-km)
Zrakoplovi
Osobna vozila
Autobusi
Željeznica
26
Godišnji prijeđeni put u 1000 km po putniku
27
Promjena udjela različitih načina prijevoza putnika
Vodom
Zrakom
Željeznicom
Autobusi
Osobna vozila
28
Prosječna potrošnja goriva l/100 km po osobnom vozilu
29
Prosječna potrošnja goriva l/100 km po novom osobnom vozilu
30
Prodajna cijena benzina u US$/l po pojedinim zemljama
31
Potrošnja energije po različitim načinima prijevoza tereta
Potrošnja energije, exa J / god.
Brodovi
Željeznica
Kamioni
32
Specifična potrošnja energije po načinima prijevoza tereta
Potrošnja energije, MJ/tona-km
Kamioni
Željeznica
Brodovi
33
Ugljen
34
Dokazane rezerve ugljena u Gt (109 t)
(Udio antracita i bituminoznog ugljena prikazan je u zagradi)
Europa i
EurAzija
Azija i
Pacifik
Sjeverna
Amerika
Afrika
Srednji
istok
J. i C.
Amerika
35
Sirova nafta
36
Dokazane svjetske rezerve sirove nafte u mega barrelima
Milijarde bačvi (barrela), 1 barrel = 159 litara
Azija i
Pacifik
Sjeverna
Amerika
J. i C.
Amerika
Afrika
Srednji
istok
Europa i
EurAzija
37
Promjena dokazanih svjetskih rezervi sirove nafte
Postotni udjeli
1984 ukupno 761.6
milijardi barrela
Srednji istok
J. i C. Amerika
1994 ukupno 1017.5
milijardi barrela
Europa i EurAzija
Sjeverna Amerika
2004 ukupno 1188.6
milijardi barrela
Afrika
Azija i Pacifik
38
Dnevna proizvodnja sirove nafte
Milijuna barrela na dan
Europa i EurAzija
Sjeverna Amerika
J. i C. Amerika
Azija i Pacifik
Srednji istok
Afrika
Proizvodnja nafte raste više od 3 milijuna b/d u 2004, što je najveće povećanje od 1976.
Proizvodnja u OPEC-u raste više od 2 milijuna b/d, raste i proizvodnja u Rusiji.
39
Dnevna potrošnja sirove nafte
Milijuna barrela na dan
Sjeverna Amerika
Srednji istok
J. i C. Amerika
Afrika
Europa i EurAzija
Azija i Pacifik
40
Prosječna godišnja potrošnja sirove nafte u svijetu po stanovniku
Tona po stanovniku
41
Promjena cijene sirove nafte
Cijena sirove nafte US$/barrel
Svjetski događaji
US$ te godine
US$ 2004. godine
42
Godišnji prijevoz sirove nafte (2000)
Godišnji prijevoz, 106 t
SAD
Kanada
Meksiko
J. i C. Amerika
Europa i EurAzija
Srednji istok
Afrika
Azija i Pacifik
43
Zemni plin
44
Dokazane svjetske rezerve zemnog plina
U 1012 m3 plina
Srednji
istok
Europa i
EurAzija
Azija i
Pacifik
Sjeverna
Amerika
J. i C.
Amerika
Afrika
45
Udjeli i iznosi dokazanih rezervi zemnog plina
Postotni udjeli
1984 ukupno 96.39 1012 m3
Srednji istok
Afrika
1994 ukupno 142.89 1012 m3
Europa i EurAzija
Sjeverna Amerika
2004 ukupno 179.53 1012 m3
Azija i Pacifik
J. i C. Amerika
46
Dnevna proizvodnja zemnog plina po područjima
Proizvodnja, 106 m3
Sjeverna Amerika
Europa i EurAzija
Azija i Pacifik
Ostatak svijeta
47
Dnevna potrošnja zemnog plina po područjima
Proizvodnja, 106 m3
Sjeverna Amerika
Europa i EurAzija
Azija i Pacifik
Ostatak svijeta
48
Specifična godišnja potrošnja zemnog plina po područjima
T.e.n. po stanovniku
49
Godišnji transport zemnog plina po područjima
Transport, 109 m3 / god.
SAD
Kanada
Meksiko
J. i C. Europa
Europa i EurAzija
Srednji istok
Afrika
Azija i Pacifik
Plinovodi
Prijevoz LNG brodovima
50
Nuklearna energija
51
Godišnja proizvodnja nuklearne energije po područjima
Proizvodnja, 106 T.e.n.
Sjeverna Amerika
Europa i EurAzija
Azija i Pacifik
Ostatak svijeta
52
Hidroenergija
53
Godišnja proizvodnja hidroenergije u Mt ekvivalenta sirove nafte
106 T.e.n.
Sjeverna Amerika
Srednji istok i Afrika
J. i C. Amerika
Azija i Pacifik
Europa i EurAzija
54
Prognoze buduće svjetske potrošnje energije
55
56
PRIMJENA OBNOVLJIVIH IZVORA
ENERGIJE
57
Dozračivanje Sunčeve energije na površinu Zemlje
Ukupna godišnja potrošnja energije koju koriste ljudi na Zemlji tijekom godine jednaka je
ukupno dozračenoj energiji na Zemljin disk tijekom 1 sata. Ukupno godišnje dozračena
energija na Zemljin disk iznosi 1.263.400.000 TWh
58
Korištenje fotonaponskih panela
Prosječna dnevna insolacija na Zemljinu površinu je oko 250 W/m2. Pri
specifičnoj potrošnji energije po stanovniku razvijenih zemalja od 500 W, bilo
bi potrebno 20 m2 fotonaponskih panela (uz spremnike energije) po jednom
stanovniku. Stupanj djelovanja fotonaponskih panela je manji od 10%, a cijena
instalacije je visoka i iznosi oko 5 US$/W, zbog čega je njihova primjena za
sada ograničena ili traži visoku državnu novčanu potporu. Po 1 m2 panela
godišnje možemo dobiti do 200 kWh energije.
59
Sunčeva termoelektrana vršne snage 17 MW s 265.000 m2 ogledala
na površini od 1.5 km2
Reflektirano Sunčevo zračenje usmjerava se na vrh tornja u kojemu se vrši zagrijavanje tekuće metalne
soli pri 600 oC. Ta se tekućina koristi za proizvodnju pregrijane pare ili se može spremiti u posebne
spremnike za proizvodnju struje tijekom noći. Regulacija opterećenja postiže se skretanjem reflektiranog
zračenja prema vrhu tornja ili van njega. Stupanj djelovanja ovoga postrojenja je između 30% i 40%.
Godišnja proizvodnja energije je 104.000 MWh, tako da je prosječna snaga 11.9 MW. Prosječna
godišnje proizvedena energija po 1 m2 ogledala je 560 kWh.
60
Solarna elektrana s paraboloidnim ogledalima snage 50 MW s površinom
ogledala od 510.000 m2 ogledala na površini od 2 km2
Elektrana radi isto tako da Sunčeva energija grije tekuću metalnu sol s kojom se proizvodi pregrijana
vodena para za pogon parno turbinskog postrojenja. Godišnja proizvodnja energije je 188.000 MWh, što
daje prosječnu snagu tijekom godine od 21.5 MW. Prosječna godišnje proizvedena energija po 1 m2
ogledala je 860 kWh.
61
Vjetroelektrana
Vršna snaga pojedinih rotora doseže do 5 MW s rotorima promjera 180 m. Zbog nestalnog vjetra računa
se da je prosječna proizvodnja energije od 1/5 do 1/7 vršne snage za nizinska područja s konstantnim
vjetrovima. Ako imamo vjetroelektranu s 30 rotora promjera 100 m s ukupnom vršnom snagom od 50 MW,
možemo očekivati godišnju proizvodnju energije od 62.500 do 87.600 MWh, tj. prosječnu snagu od 7.1 do
10 MW. Godišnja proizvodnja energije po 1 m2 površine diska rotora je od 265 do 370 kWh.
62
Goriva proizvedena iz biomase
63
Milijuni litara
Svjetska i regionalna godišnja proizvodnja etanola (goriva)
Svijet
Izvor: F.O. Lichts (2003). Ne uključuje proizvodnju etanola za pića
64
Milijuni litara
Svjetska i regionalna godišnja proizvodnja biodizela (goriva)
Istočna Europa
Svijet
65
Zahvaljujemo na Vašoj pozornosti
66